太赫兹激光可以实现“T-Ray视觉”-高分辨率图像和远比x射线安全

太赫兹激光

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)旋转装在钢笔大小的腔(灰色)中的一氧化二氮分子,产生太赫兹波(绿色曲线)。资料来源:Chad Scales,美国陆军期货司令部

研究人员通过笑气产生太赫兹激光:设备可以实现“T射线视觉”和更好的无线通信。

在微波和可见光之间的电磁中间地带存在着太赫兹辐射和“t射线视觉”。

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。

The reason we don’t see T-ray machines in, for instance, airport security lines and medical imaging facilities is that producing terahertz radiation requires very large, bulky setups or devices, many operating at ultracold temperatures, that produce terahertz radiation at a single frequency — not very useful, given that a wide range of frequencies is required to penetrate various materials.

现在,研究人员从麻省理工学院美国哈佛大学(Harvard University)和美国陆军(U.S. Army)已经研制出一种鞋盒大小的小型设备,在室温下可以产生太赫兹激光,他们可以在很宽的范围内调节这种激光的频率。该设备由商用的、现成的部件制成,通过旋转分子的能量来产生太赫兹波一氧化二氮或者更常见的说法是笑气。

麻省理工学院的数学教授Steven Johnson说,除了t射线视觉,太赫兹波还可以作为无线通信的一种形式,例如,它可以以比雷达更高的带宽承载信息,科学家们现在可以使用该团队的设备调整这种跨越距离的通信。

“By tuning the terahertz frequency, you can choose how far the waves can travel through air before they are absorbed, from meters to kilometers, which gives precise control over who can ‘hear’ your terahertz communications or ‘see’ your terahertz radar,” Johnson says. “Much like changing the dial on your radio, the ability to easily tune a terahertz source is crucial to opening up new applications in wireless communications, radar, and spectroscopy.”

约翰逊和他的同事们发表了他们的结果今天(2019年11月15日)在期刊上科学。合著者包括麻省理工学院博士后王帆、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指挥航空和导弹中心的Henry Everitt。

分子呼吸室

自20世纪70年代以来,科学家们已经试验了用分子气体激光器产生太赫兹波——在这种装置中,一个高功率的红外激光器被射入一个充满气体(通常是甲基氟)的大管子,气体分子通过振动和最终旋转进行反应。旋转的分子可以从一个能级跳跃到下一个能级,其差值作为一种剩余能量发射出来,以太赫兹范围内的光子的形式。当更多的光子在腔内积聚时,就会产生太赫兹激光。

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。

然而,在20世纪80年代,埃弗蒂特发现,他能够使用远小于传统装置的气体激光在实验室中生产太赫兹波,在远高于模型可能的压力。这种差异从未完全解释过,并且在太赫兹气体激光器上工作,通过路边而有利于其他方法。

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。与埃弗蒂特一起举行挑战,最终建立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,虽然气体分子可以以多种频率和旋转速率振动,响应于红外泵,以前的理论折扣许多这些振动状态,并假设少数振动是最终在产生太赫兹波时最重要的。如果腔体太小,以前的理论表明,响应于入射红外激光的分子振动将彼此更常见,释放它们的能量,而不是进一步建立旋转和产生太赫兹的能量。

相反,新模型在单个腔内的数百万分子中追踪数千个相关的振动和旋转状态,使用新的计算技巧在笔记本电脑上进行这种大问题。然后,根据腔内的位置和方向,分析了这些分子如何对输入红外光反应。

Johnson说:“我们发现,当你把人们已经抛弃的所有其他振动状态都包括进来时,它们会给你一个缓冲。”“在更简单的模型中,分子是旋转的,但当它们撞上其他分子时,它们失去了一切。一旦你把所有这些状态都包括进去,这就不会再发生了。这些碰撞可以将能量转移到其他振动状态,并在某种程度上给你更多的呼吸空间来保持旋转和制造太赫兹波。”

笑,打

一旦团队发现他们的新模式准确地预测了几十年前的埃弗蒂特·观察到的内容,他们就哈佛大学的集团合作,通过将模型与新的气体和一种新型的红外激光器组合来设计一种新型的紧凑型太赫兹发生器。

对于红外来源,研究人员使用量子级联激光器,或QCL - 更近期的激光器,紧凑,也可调整。

“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Capasso合作,Capasso是QCLs发展的先驱,他提供了一种激光器,其产生的功率范围在他们的理论中可以在钢笔大小的腔内工作(大约是常规腔的1/ 1000)。然后,研究人员寻找一种可以加速旋转的气体。

该团队通过气体图书馆搜索,以识别以某种方式以某种方式旋转的那些,以应对红外线,最终降落在氧化亚氮,或笑的气体上,作为其实验的理想和可访问的候选者。

它们订购了实验室级氧化物,它们将它们泵入笔尺大小。当他们从QCL中送红外光进入腔体时,它们发现它们可以产生太赫兹激光器。当他们调整QCL时,太赫兹波的频率也转移,横跨宽范围。

“这些演示确认了在通过连续调谐的QCl泵送的情况下,可以在其整个旋转状态下广泛可调的太赫兹分子激光源的通用概念。”王说。

从这些初始实验开始,研究人员已经扩展了他们的数学模型,以包括其他各种气体分子,如一氧化碳和氨,为科学家提供了不同频率和调谐范围的不同太赫兹产生选项的菜单,并与每一种气体匹配的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调整腔体设计。随着商业发展的到来,他们现在正在推动更集中的光束和更高的功率。

约翰逊表示,科学家可以参考本集团的数学模型,以使用其他气体和实验参数设计新的,紧凑型的太赫兹激光器。

“这些气体激光器很长一段时间被视为旧技术,人们认为这些都是巨大的,低功耗,难以置信的东西,所以他们看着其他太赫兹来源,”约翰逊说。“现在我们说他们可以很小,可调,更高效。您可以将其符合您的背包,或在您的车辆中进行无线通信或高分辨率成像。因为你不想要你的车里的回旋加速。“

更多关于这一突破的信息,请阅读Terahertz激光器为更好的感应,成像和通信铺平了道路

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参考文献:“广泛调谐的Compact Terahtz Gasers”由Paul Chevalier,Arman Armizhan,Fan Wang,Marco Piccardo,Steven G. Johnson,Federico Capasso和Henry O. Everitt,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国家科学基金会的部分支持。

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