太赫兹波具有高于微波的频率,低于红外和可见光。在大多数材料阻挡光学光的情况下,太赫兹波可以直接通过,类似于微波炉。如果他们以激光器的形状,太赫兹波可能会导致“T射线视野”,能够通过衣服,书籍封面和其他薄材料看。这种技术可以产生比微波的清晰,更高分辨率的图像,并且比X射线更安全。

一种鞋盒大小的新型激光器通过使用一种特殊的红外激光器(红色)来旋转一氧化二氮(或笑气)分子,从而产生太赫兹波(绿色曲线)。(美国陆军未来司令部Chad Scales提供)

例如,我们在机场安检线和医疗成像设施中看不到t射线机的原因是,产生太赫兹辐射需要非常大、体积庞大的设备或设备,许多设备在超冷温度下工作,产生单一频率的太赫兹辐射不是很有用,因为要穿透各种材料需要很宽的频率范围。

现在,来自麻省理工学院,哈佛大学和美国陆军的研究人员建立了一个紧凑的装置,鞋盒的尺寸,在室温下工作,产生一个太赫兹激光,其频率可以在很多范围内调整频率。该装置是由商业,离心部分构建的,并且设计为通过旋转氧化亚氮的分子的能量来产生太赫兹波,或者更常见的笑气。

MIT数学教授Steven Johnson表示,除了T射线视觉之外,太赫兹波还可以用作无线通信的形式,携带比雷达更高的带宽的信息,并在科学家们跨越遥控器can now tune using the group’s device.

“通过调整太赫兹频率,你可以选择声波在被吸收之前在空气中传播的距离,从米到公里,这就可以精确控制谁能‘听到’你的太赫兹通信或‘看到’你的太赫兹雷达,”约翰逊说。“就像改变收音机的刻度盘一样,轻松调节太赫兹源的能力对于打开无线通信、雷达和光谱学的新应用至关重要。”

自70年代以来,科学家们已经试验了使用分子气体激光器产生的太赫兹波 - 设置在该高功率红外激光束被拍摄成一个大的管填充有气体(氟通常是甲基),其分子通过振动,并最终旋转反应。旋转分子可以从一个能级跳到下一个,其中不同的是发射作为一种剩余能量,在所述太赫兹范围内的光子的形式。随着更多的光子在腔积聚,它们产生太赫兹激光。

研究人员说,通过不可靠的理论模型,改善这些气体激光器的设计受到阻碍。在高气体压力下的小腔中,模型预测,超出一定压力,分子太“狭窄”来旋转并发出太赫兹波。部分原因是,太赫兹气体激光器通常使用米长腔和大型红外激光器。

However, in the 1980s, Henry Everitt of the U.S. Army Combat Capabilities Development Command Aviation and Missile Center, found that he was able to produce terahertz waves in his laboratory using a gas laser that was much smaller than traditional devices, at pressures far higher than the models said was possible. This discrepancy was never fully explained, and work on terahertz gas lasers fell by the wayside in favor of other approaches.

几年前,埃弗蒂特提到了这两项工作的理论神秘,当两人正在合作其他工作作为麻省理工学院的士兵纳米技术研究所的一部分。他们最终制定了一种新的数学理论来描述分子气体激光腔中的气体的行为。该理论还成功地解释了太赫兹波如何发射,即使来自非常小的高压腔。

约翰逊说,当气体分子可以响应红外泵在多个频率和旋转速率振动,以前的理论贴现许多振动态的,而是假定振动少数的什么生产的太赫兹波最终要紧。如果一个腔太小,以前的理论表明,在分子响应于传入红外激光振动会碰撞更频繁地彼此,释放它们的能量,而不是进一步构建它高达自旋和产生太赫兹。

相反,新的模型跟踪数千个相关的振动和转动状态的数以百万计的分子基团中的一个腔体内,使用新的计算技巧,使笔记本电脑这样的大问题容易处理。然后,它分析了如何那些分子将反应以入射的红外光,这取决于在所述腔内的位置和方向。

他们发现,当你把所有的振动态都包括进去的时候,它们会给你一个缓冲。在更简单的模型中,分子在旋转,但当它们与其他分子相撞时,它们失去了一切。一旦你包括了所有其他的状态,那就不会再发生了。这些碰撞可以将能量转移到其他振动状态,并给你更多的呼吸空间来继续旋转,继续产生太赫兹波。

一旦团队发现他们的模型准确地预测了几十年前埃弗蒂特观察到的内容,他们就会在哈佛团的一个小组与一组采用新的气体和新型红外激光器组合模型来设计一种新型的Compact Terahtz发电机。

对于红外光源,研究人员使用了量子级联激光器(简称QCL),这是一种更新型的激光器,体积更小,也可调谐。

“你可以转动一个拨号,它改变了输入激光的频率,希望我们可以使用它来改变太赫兹出来的频率,”约翰逊说。

研究人员与哈佛大学的联邦央行大学合作,是一个开发QCLS的先驱,他提供了一种激光器,该激光器产生了一系列其预测的理论,其理论可以使用笔的腔体(约1/1000)传统腔的尺寸)。然后研究人员寻找气体旋转。

研究小组搜索了气体库,以确定那些已知的在红外光下以某种方式旋转的气体,最终落在一氧化二氮或笑气上,作为他们实验的理想和可获得的候选气体。

他们点了实验室级的一氧化二氮,其泵入pensized腔。当他们发送从QCL到腔红外光,他们发现,他们可以产生太赫兹激光。因为它们调谐到的QCL,太赫兹波的频率也偏移时,在很宽的范围内。

从这些最初的实验开始,研究人员扩展了他们的数学模型,包括了其他各种气体分子,如一氧化碳和氨,为科学家提供了不同的太赫兹产生选项的菜单,具有不同的频率和调谐范围,并与每种气体匹配的QCL配对。该小组的理论工具也使科学家能够根据不同的应用来定制腔体设计。随着商业发展的到来,他们现在正朝着更聚焦的光束和更高功率的方向努力。

约翰逊说,科学家可以参考该小组的数学模型,利用其他气体和实验参数,设计新的、紧凑的、可调谐的太赫兹激光器。

“在很长一段时间里,这些气体激光器被视为过时的技术,人们认为它们是巨大的、低功率的、不可调谐的东西,所以他们寻找其他太赫兹源,”约翰逊说。“现在我们说,它们可以更小、可调、更高效。你可以把它装在你的背包里,或者你的车里,用于无线通信或高分辨率成像。因为你不想在车里装回旋加速器。”

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光子学与成像技术杂志

本文首次发表于2020年3月号光子和成像技术杂志。

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