MIT成功用笑氣產生太赫茲激光

來源:麻省理工學院    關鍵詞:激光, 太赫茲激光, 研究,    發布時間:2019-11-21

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太赫茲波的頻率高于微波,而低于紅外線和可見光。可見光能被大多數材料阻擋時,但太赫茲波卻就像微波一樣可以直接穿過這些材料。如果將它們制成激光,太赫茲波可能會啟用“ T射線視覺”,并具有穿透衣服,書皮和其他薄材料的能力。這種技術可以產生比微波更清晰的高分辨率圖像,并且比X射線安全得多。


例如,在機場安檢線和醫學成像設施中看不到T射線機的原因是,產生太赫茲輻射需要非常大且笨重的裝置或設備,其中許多設備還要求在超冷溫度下運行,而且一次只能產生太赫茲輻射頻率。考慮到要穿透各種材料還需要廣泛的頻率,所以這不是很實際。


現在,麻省理工學院,哈佛大學和美國陸軍的研究人員已經制造出一種緊湊的設備,它的大小相當于鞋盒的大小,可以在室溫下工作,以產生太赫茲激光,其頻率可以在很寬的范圍內調諧。該設備由現成的商業零件制造而成,旨在通過旋轉一氧化二氮(笑氣)中的分子能量來產生太赫茲波。


笑氣產生的太赫茲激光

圖片來源:麻省理工學院


麻省理工學院的史蒂文·約翰遜說:“這些氣體激光器長期以來一直被視為舊技術,它們是龐大的,低功率的,不可調的,因此人們就把目光轉向了其他太赫茲光源。而現在,我們可以把它們變得更小,可調并且功率更高。我們可以將其裝在背包中,也可以裝在車輛中以進行無線通信或高分辨率成像。”

在20世紀80年代,美國軍隊作戰能力發展司令部航空和導彈中心的亨利·埃弗里特發現,他能夠通過使用一種比傳統設備小得多,并且比模型設計的承壓能力要高得多的氣體激光,產生太赫茲光波。這種差異當時還未得到充分的解釋。

就在幾年前,埃弗里特跟麻省理工數學教授約翰遜提出了該理論,兩人曾在麻省理工學院的士兵納米技術研究所開展過合作。埃弗里特、約翰遜還有同是麻省理工的王凡,進行了理論研究,最終制定了一種新的數學理論來描述分子氣體激光腔中氣體的行為。并且該理論還成功地說明了即使從很小的高壓腔中也可以發射太赫茲波。

在他們計算證實了埃弗里特幾十年前的觀察結果后,便與哈佛大學的Capasso小組合作,設計了一種新型的太赫茲發生器。

對于紅外光源,研究小隊使用了量子級聯激光器(QCL),它是一種緊湊且可調的新型激光器。然后研究小隊要去尋找一種可以旋轉的氣體。他們搜索了各種氣體庫,以識別已知會以某種方式對紅外光做出旋轉反應的氣體,最終選擇了一氧化二氮(笑氣),作為他們實驗的理想氣體。

研究人員將一氧化二氮泵入筆型大小的高壓腔中,并用量子級聯激光器發出紅外光到高壓腔中,太赫茲激光就產生了。而且研究人員只要通過調節量子級激光器,就能讓太赫茲光波頻率在大范圍內發生變化。

自最初的實驗以來,研究人員已擴展了他們的數學模型,使其包含多種其他氣體分子,例如一氧化碳和氨,從而為科學家提供了具有不同頻率和調諧范圍的不同太赫茲生成選項的列表,以及與量子級聯激光器匹配的列表。現在,隨著商業發展的到來,他們正在朝著更聚焦的光束和更高的功率的方向進行研究。

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