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(wèn)世

  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(dú)特的物理特性，很難應(yīng)用。在過(guò)去的幾十年里，研究人員一直無(wú)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(shí)驗(yàn)室的Henry Everitt說(shuō)：“隨著頻率的增加，（輻射）電子源往往會(huì)變得越來(lái)越弱，因?yàn)樗鼈兊牟牧咸匦韵拗屏嗽O(shè)備在接近太赫茲區(qū)域時(shí)的性能。所以，雖然微波區(qū)域非常成熟……當(dāng)你超過(guò)100千兆赫茲（0.1太赫茲）時(shí)，功率就會(huì)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(huì)變得更糟，這也是因?yàn)椴牧系奶匦?。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(shuō)，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(shí)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(shí)現(xiàn)的廣泛可調(diào)特性。

  研究人員使用量子級(jí)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(chǎng)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(yàn)證測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了120個(gè)介于0.25和1.3太赫茲之間的單獨(dú)頻率。

  實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)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(shuō)：“我向你們保證，當(dāng)太赫茲技術(shù)成熟時(shí)，人們會(huì)對(duì)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(jí)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(dú)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(cè)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(shuō)，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(lái)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(lái)的步驟是將其設(shè)計(jì)成一個(gè)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(dòng)知道如何調(diào)整和優(yōu)化性能。

  回到實(shí)驗(yàn)室范疇，仍然有一些事情需要解決。由于大氣對(duì)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(gè)功能，而不是一個(gè)bug。例如，串?dāng)_或干擾問(wèn)題可能會(huì)受到限制。太赫茲實(shí)際上是非常有利的，因?yàn)榇髿馑p阻止了輻射永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

  作者：PAYAL DHAR