太赫兹激光可以实现“ T射线视觉” –高分辨率图像，远比X射线安全

一种新的鞋盒大小的激光通过使用特殊的红外激光（红色）旋转装在笔形腔体（灰色）中的一氧化二氮或笑气分子来产生太赫兹波（绿色的波浪形）。

在微波和可见光之间的电磁中间地带中，存在太赫兹辐射和“ T射线视觉”的希望。

太赫兹波的频率高于微波，而低于红外线和可见光。太赫兹波可以被大多数材料阻挡，太赫兹波可以直接穿过，就像微波一样。如果将它们制成激光，太赫兹波可能会启用“ T射线视觉”，并具有穿透衣服，书皮和其他薄材料的能力。这种技术可以产生比微波更清晰，更高分辨率的图像，并且比X射线安全得多。

例如，在机场安检线和医学成像设备中看不到T射线机的原因是，产生太赫兹辐射需要非常大，笨重的装置或设备，其中许多设备在超冷温度下运行，而一次只能产生太赫兹辐射频率-考虑到要穿透各种材料需要广泛的频率，这不是很有用。

现在，麻省理工学院，哈佛大学和美国陆军的研究人员已经建造了一种紧凑的设备，其大小相当于鞋盒的大小，可以在室温下工作，以产生太赫兹激光，其频率可以在很宽的范围内进行调谐。该设备由现成的商用零件制成，旨在通过旋转一氧化二氮或笑气中的分子能量来产生太赫兹波。

麻省理工学院数学教授史蒂芬·约翰逊（Steven Johnson）表示，除了T射线视觉之外，太赫兹波还可以用作一种无线通信形式，例如以比雷达更高的带宽传输信息，并且可以跨科学家进行跨距离的传输。现在可以使用组的设备进行调音了。

“通过调整太赫兹频率，您可以选择波在被吸收之前在空气中传播的距离（从几米到几千米），从而可以精确控制谁可以“听到”您的太赫兹通信或“看到”您的太赫兹雷达，约翰逊说：“就像改变收音机的转盘一样，轻松调谐太赫兹源的能力对于在无线通信，雷达和光谱学领域开拓新的应用至关重要。”

约翰逊和他的同事们今天（2019年11月15日）在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。共同作者包括麻省理工学院的博士后Fan Wang，以及哈佛大学的Paul Chevalier，Arman Armizhan，Marco Piccardo和Federico Capasso，以及美国陆军作战能力发展司令部航空和导弹中心的Henry Everitt。

分子呼吸室

自1970年代以来，科学家一直在尝试使用分子气体激光器产生太赫兹波，这种装置是将大功率的红外激光射入装有气体（通常为甲基氟）的大管中，该分子的振动和旋转最终都会发生反应。旋转的分子可以从一个能级跃迁到另一个能级，其差值以太赫兹范围内的光子形式作为剩余能量发出。随着越来越多的光子在空腔中累积，它们会产生太赫兹激光。

研究人员说，不可靠的理论模型阻碍了改进这些气体激光器的设计。在高气压下的小腔中，模型预测，超过一定压力，分子将太“蠕变”而无法旋转并发射太赫兹波。部分原因是，太赫兹气体激光器通常使用米长的腔体和大型红外激光器。

然而，在1980年代，埃弗里特（Everitt）发现他能够在实验室中使用比传统设备小得多的气体激光产生太赫兹波，压力远高于模型所能达到的压力。这种差异从未得到充分解释，太赫兹气体激光器的研究被其他方法所取代。

几年前，埃弗里特（Everitt）在约翰逊与麻省理工学院士兵纳米技术研究所合作开展其他工作时向约翰逊提及了这一理论奥秘。Johnson和Wang与Everitt一起面对挑战，并最终提出了一种新的数学理论来描述分子气体激光腔中气体的行为。该理论还成功地解释了即使从很小的高压腔中也可以发射太赫兹波。

约翰逊说，尽管气体分子可以响应红外泵而以多种频率和转速振动，但先前的理论没有考虑这些振动状态中的许多振动状态，而是假设少数振动是产生太赫兹波的最终原因。如果腔体太小，先前的理论表明，响应入射红外激光而振动的分子会相互碰撞的更多，从而释放出能量，而不是进一步积累以旋转并产生太赫兹。

取而代之的是，新模型使用一个新的计算技巧使一个大问题在笔记本电脑上可以解决，从而在单个腔内跟踪了数百万个分子组中成千上万个相关的振动和旋转状态。然后，分析了这些分子将如何对入射的红外光做出反应，具体取决于它们在腔体内的位置和方向。

约翰逊说：“我们发现，当您包括人们一直抛出的所有其他所有振动状态时，它们会为您提供缓冲。”“在更简单的模型中，分子正在旋转，但是当它们撞向其他分子时，它们将失去一切。一旦包含所有其他状态，就不会再发生这种情况。这些碰撞会将能量转移到其他振动状态，并为您提供更多的呼吸空间，使其保持旋转并不断产生太赫兹波。”

笑，拨了

一旦研究小组发现他们的新模型能够准确预测埃弗里特几十年前的观测结果，便与哈佛大学Capasso研究小组合作，通过将模型与新气体和新型红外激光相结合，设计出新型紧凑型太赫兹发生器。

对于红外光源，研究人员使用了量子级联激光器（QCL），这是一种新型的紧凑且可调谐的激光器。

约翰逊说：“您可以转动拨盘，它改变输入激光的频率，希望我们可以用它来改变太赫兹频率。”

研究人员与QCL开发的先驱Capasso合作，后者提供的激光产生的功率范围据他们的理论预测可与笔大小的腔体（传统腔体大小的约1,000倍）一起使用。 ）。然后研究人员寻找一种可以旋转的气体。

该小组搜索了各种气体库，以识别已知会响应红外光而以某种方式旋转，最终降落在一氧化二氮或笑气中的那些气体，将其作为实验的理想且容易获得的候选气体。

他们订购了实验室级的一氧化二氮，然后将其泵入笔型腔中。当他们从QCL发出红外光到腔中时，他们发现它们可以产生太赫兹激光。当他们调谐QCL时，太赫兹波的频率也会在很宽的范围内变化。

Wang说：“这些演示证实了太赫兹分子激光源的普遍概念，当通过连续可调的QCL进行泵浦时，它可以在整个旋转状态上进行广泛的可调。”

自从这些最初的实验以来，研究人员已经扩展了他们的数学模型，使其包括多种其他气体分子，例如一氧化碳和氨，从而为科学家提供了具有不同频率和调谐范围的不同太赫兹生成选项的菜单，以及与QCL匹配的菜单。每种气体。该小组的理论工具还使科学家能够根据不同的应用量身定制型腔设计。现在，随着商业发展的到来，他们正在朝着更聚焦的光束和更高的功率前进。

约翰逊说，科学家们可以参考该小组的数学模型，使用其他气体和实验参数来设计新型，紧凑且可调的太赫兹激光器。

约翰逊说：“这些气体激光器在很长一段时间内被视为旧技术，人们认为它们是巨大的，低功率的，不可调谐的东西，因此他们将目光投向了其他太赫兹光源。”“现在我们说的是它们可以变得更小，更可调，更高效。您可以将其装在背包中，也可以装在车辆中以进行无线通信或高分辨率成像。因为您不想在车上安装回旋加速器。”

有关此突破的更多信息，请阅读《太赫兹激光》，为更好的传感，成像和通信铺平道路。

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参考：Paul Chevalier，Arman Armizhan，Fan Wang，Marco Piccardo，Steven G.Johnson，Federico Capasso和Henry O.Everitt的“宽可调紧凑型太赫兹气体激光器”，2019年11月15日，科学。DOI：
10.1126 / science.aay8683

这项研究得到了美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会的部分支持。