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哈佛大學(xué)研發(fā)可廣泛調(diào)諧且緊湊的太赫茲激光器即將問世

摘要:哈佛大學(xué)的研究人員演示了一種可廣泛調(diào)諧且緊湊的太赫茲激光器,該激光器具有短期商業(yè)應(yīng)用的可能性。

  哈佛大學(xué)的研究人員演示了一種可廣泛調(diào)諧且緊湊的太赫茲激光器,該激光器具有短期商業(yè)應(yīng)用的可能性。

  盡管太赫茲輻射潛伏在微波和紅外線之間,但由于其獨特的物理特性,很難應(yīng)用。在過去的幾十年里,研究人員一直無法找到跨越0.3到3太赫茲電磁頻譜范圍的頻率可調(diào)源。

  DEVCOM陸軍研究實驗室的Henry Everitt說:“隨著頻率的增加,(輻射)電子源往往會變得越來越弱,因為它們的材料特性限制了設(shè)備在接近太赫茲區(qū)域時的性能。所以,雖然微波區(qū)域非常成熟……當(dāng)你超過100千兆赫茲(0.1太赫茲)時,功率就會瘋狂下降。從另一端看,隨著頻率的降低,輻射光源(例如紅外激光器)會變得更糟,這也是因為材料的特性。太赫茲恰好是這兩種技術(shù)都存在困難的地區(qū)?!?

  因此,Everitt補(bǔ)充說,利用太赫茲光譜需要的“不僅僅是電子或光學(xué)”。為了尋找這一光譜范圍的實用光源,Everitt和哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的同事們展示了一種太赫茲激光器,這種激光器結(jié)構(gòu)緊湊,可在室溫下工作,具有早期光源難以實現(xiàn)的廣泛可調(diào)特性。

  研究人員使用量子級聯(lián)激光器(quantum cascade laser,QCL)泵和甲基氟化物分子激光器。這種化合物與光場發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),吸收紅外并發(fā)射太赫茲輻射。QCL也可以在比早期的二氧化碳激光器更緊湊的激光腔中工作。在概念驗證測試中,該團(tuán)隊報告了120個介于0.25和1.3太赫茲之間的單獨頻率。

  實驗裝置的如示意圖。鍍金硅片用作分束器,將一小部分泵浦光反射到參考?xì)怏w電池中,而其余部分則進(jìn)入太赫茲腔。

  Everitt對光泵太赫茲激光器的研究興趣跨越了近40年,早在20世紀(jì)80年代,他就致力于制造緊湊型分子激光器。他表示,“我們有大的CO2激光器,但它不是便攜式的?,F(xiàn)在我們用QCL取代了CO2激光器,部件小了很多,甚至可以把整個東西都放在鞋盒里。”

  這種便攜性也改變了游戲規(guī)則,特別是考慮到太赫茲頻率因其眾多潛在應(yīng)用而備受追捧。Everitt說:“我向你們保證,當(dāng)太赫茲技術(shù)成熟時,人們會對利用它感興趣。”其應(yīng)用包括了高帶寬通信和高分辨率雷達(dá)。載波頻率越高,你可以在上面增加更多帶寬……使用高分辨率雷達(dá)……你可以獲得非常精確的厘米級分辨率,甚至更精細(xì)的分辨率也能夠?qū)崿F(xiàn)。

  Everitt表示,遙感應(yīng)用也有可能出現(xiàn):“分子在太赫茲區(qū)域有非常獨特的特征,可以讓你區(qū)分物種、毒素、化學(xué)試劑、可能構(gòu)成威脅的東西,或者只是監(jiān)測化工廠的情況?!? 在地球之外也有潛在的應(yīng)用,比如射電天文學(xué)家?!拔艺J(rèn)為天空是極限,”Everitt表示,“我們研究背后的目的是展示這一概念的普遍性,幾乎任何可以存在于氣相中并具有永久電偶極矩的分子都可以產(chǎn)生激光?!?

  正如Everitt所說,要將這一概念證明轉(zhuǎn)化為一種用戶友好的技術(shù)或設(shè)備,而不是必需要哈佛大學(xué)的博士科學(xué)家來進(jìn)行操作,那么,該行業(yè)的合作伙伴必須介入。我們接下來的步驟是將其設(shè)計成一個成套系統(tǒng),只需輸入你想要的頻率,然后輸出你要求的輻射……系統(tǒng)將自動知道如何調(diào)整和優(yōu)化性能。

  回到實驗室范疇,仍然有一些事情需要解決。由于大氣對水蒸氣的吸收,太赫茲輻射的范圍受到限制。但Everitt認(rèn)為這是一個功能,而不是一個bug。例如,串?dāng)_或干擾問題可能會受到限制。太赫茲實際上是非常有利的,因為大氣衰減阻止了輻射永遠(yuǎn)持續(xù)下去。


  作者:PAYAL DHAR


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