Terahertz激光器为更好的感应,成像和通信铺平了道路

激光

实验设置的图片显示系统的不同组成部分,并突出显示QCL光(红色)和辐射(蓝色)。信用:哈佛大海的阿曼阿米里扎

新的太赫兹频率激光打开了电磁光谱的大型未充分利用的区域。

太赫兹频率范围 - 坐在微波和红外光线之间的电磁频谱中间 - 提供高带宽通信,超高分辨率成像,对射频天文学的精确远程感测的潜力等等。

但大多数应用程序,电磁谱的这一部分仍然遥不可及。即,因为Terahertz频率的电流源是笨重的,低效的,调谐有限或必须在低温下运行。

现在,来自Harvard John A.Paulson工程和应用科学学院的研究人员,合作麻省理工学院和美国军队开发了紧凑,室温,广泛调谐的太赫兹激光。

QCL泵送了激光

QCL泵浦的THz激光的艺术视图,显示QCL梁(红色)和THZ光束(蓝色)以及腔内的旋转N2O(笑气)分子。信用:哈佛大海的阿曼阿米里扎

研究发表了今天(2019年11月15日)在期刊上科学

“该激光在该光谱区域中优于任何现有的激光源,并首次开启到科学和技术的广泛应用中,”Applicated物理和Vinton Hayes的Robert L. Wallace教授Federico Capasso表示本文海洋和联合高级作者电气工程高级研究员。

“There are many needs for a source like this laser, things like short range, high bandwidth wireless communications, very high-resolution radar, and spectroscopy,” said Henry Everitt, Senior Technologist with the U.S. Army CCDC Aviation & Missile Center and co-senior author of the paper.

埃弗蒂特也是杜克大学物理学教授。

虽然大多数电子或光学太赫兹来源使用大型,低效和复杂的系统,以产生具有有限的调谐范围,Capasso,Everitt及其团队采取了不同的方法的难以捉摸的频率。

要了解他们所做的事情,让我们扫过一些激光作品的基本物理学。

THZ激光实验设置

实验设置的图片显示系统的不同组成部分。积分:阿曼阿米里扎,哈佛海

在量子物理学中,激发原子或分子位于不同的能量水平 - 将这些视为建筑物的楼层。在典型的气体激光器中,大量分子被捕获在两个镜子之间并带到兴奋的能量水平,AKA在建筑物中更高的地板。当他们到达那个地板时,它们衰减,落下一个能量水平并发出光子。这些光子刺激更多分子的衰减,因为它们的来回反弹导致光的放大。为了改变发射光子的频率,您需要改变激发分子的能量水平。

那么,你如何改变能量水平?一种方式是使用光。在称为光学泵浦的过程中,光从较低的能级升高到较高的电梯的分子。以前的太赫兹分子激光器使用了光学泵,但它们的可调性受到限制为几个频率,这意味着电梯仅达到少数楼层。

这项研究的突破是,盖帽,埃弗蒂特及其团队使用高度可调,量子级联激光器作为光学泵。这些强大的便携式激光器,由Capasso和他的Gell Labs在20世纪90年代的群体中,能够有效地生产广泛的可调光。换句话说,这种量子电梯可以在建筑物的每个楼层停留。

优化新激光器的操作的理论是由STEVEN JOHNSON,MIT应用数学和物理学教授开发的,他的研究生凡旺和埃弗蒂特。

“由Quantum Cascade激光泵浦的分子THz激光器以令人惊讶的紧凑且稳健的设计提供高功率和宽敞的调谐范围,”诺贝尔·洛杉矶TheodorHänschhänsch兰克兰克Max Planck Qualtum Optics研究所,慕尼黑没有参与这项研究。“这些来源将解锁从感测到基础光谱的新应用程序。”

“令人兴奋的是普遍的令人兴奋的是普遍的,”海洋海洋的博士·乔拉尔(Pautdoctoral Seircurer)说,这篇论文的第一个作者。“使用此框架,您可以使用几乎任何分子的气体激光器制作太赫兹来源,并且应用巨大。”

研究人员将量子级联激光泵组合使用笑气- 又名笑气 - 激光。

“通过优化激光腔和镜头,我们能够生产跨越近1至六六六的频率,”Capasso集团的研究生Arman Amirzhan说,以及本文的共同作者。

“这个结果是一种类型的,”凯斯科说。“人们知道如何在之前制作太赫兹激光,但无法使其宽带。直到我们开始与亨利在会议上的次要遭遇之后,我们能够建立连接,即您可以使用像Quantum Cascade激光器这样的广泛调谐泵。“

这种激光可用于从改善的皮肤和乳腺癌成像到药物检测,机场安全和超高容量光纤无线链路的一切。

“我特别兴奋地对使用这种激光来帮助地图壁垒媒体的可能性,”埃弗蒂特说。“分子在太赫兹地区具有独特的光谱指纹,并且天文学家已经开始使用这些指纹来测量这些原始气体和灰尘的原始云的组成和温度。像我们的激光一样更好的基于Terahertz辐射源,将使这些测量更敏感和精确。“

太赫兹激光可以实现“T射线视觉”有关这一突破。

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参考:“广泛调谐的小型太赫兹燃气激光器”由Paul Chevalier,Arman Amirzhan,范王,Marco Piccardo,Steven G. Johnson,Federico Capasso和Henry O. Everitt,2019年11月15日,科学
DOI:10.1126 / science.aay8683

哈佛大学技术开发办公室保护了与该项目有关的知识产权,正在探索商业化机会。

该研究由范王(MIT),Marco Piccardo(哈佛大学)和Steven G. Johnson(麻省理工学院)共同撰写。它由美国军研究办公室和国家科学基金会的支持。

1条评论在“太赫兹激光器铺平了更好的感应,成像和通信”

  1. 西海岸(旧金山地区)可以观察到这项技术吗?

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