新激光为更好的成像、通信、真实物理和虚构物理、真实和虚构铺平了道路

太赫兹频率范围——位于微波和红外光之间的电磁频谱的中间——为高带宽通信、超高分辨率成像、精确的射电天文学远程传感等提供了可能性。

但这部分电磁波谱对大多数应用来说仍然遥不可及。这是因为太赫兹频率的电流源体积庞大,效率低下,调谐有限,或者必须在低温下工作。

现在,来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员与麻省理工学院和美国陆军合作,已经开发出一种紧凑的、室温的、可广泛调谐的太赫兹激光器。

这项研究发表在《科学》杂志上。

“这激光优于任何现有的激光源在这个光谱区和打开它的时候,第一次,广泛的应用在科学和技术,”费德里科•卡帕索说,应用物理学的教授罗伯特·l·华莱士和文顿海耶斯高级研究员在电气工程海域和文章的第二作者的论文。

美国陆军CCDC航空公司的高级技术专家亨利·埃弗里特说:“像激光这样的资源有很多需求,比如短程、高带宽无线通信、高分辨率雷达和光谱学。导弹中心,论文合著者。

埃弗里特还是杜克大学物理学副教授。

当大多数电子或光学太赫兹源使用大型、低效和复杂的系统,以有限的调谐范围产生难以捉摸的频率时,卡帕索、埃弗里特和他们的团队采用了不同的方法。

为了理解他们做了什么,让我们复习一下激光工作的一些基本物理原理。

在量子物理学中,被激发的原子或分子处于不同的能级——把它们想象成建筑物的楼层。在一个典型的气体激光器中,大量的分子被困在两个镜子之间,并被带到一个被激发的能量水平,即建筑物的一个更高的楼层。当它们到达那层时,它们会衰变,下降一个能级,并发射一个光子。当这些光子来回弹回时,它们会刺激更多分子的衰变,导致光的放大。要改变发射光子的频率,你需要改变被激发分子的能级。

那么,如何改变能级呢?一种方法是利用光。在一个称为光抽运的过程中,光把分子从低能级提升到高能级——就像一个量子电梯。以前的太赫兹分子激光器使用的是光泵,但它们的可调性仅限于几个频率,这意味着电梯只能到达一小部分楼层。

这项研究的突破在于,卡帕索、埃弗里特和他们的团队使用了高度可调的量子级联激光器(QCL)作为光泵。20世纪90年代,卡帕索和他的团队在贝尔实验室共同发明了这种强大的便携式激光器,能够有效地产生广泛的可调光。换句话说,这个量子电梯可以停在大楼的每一层。

优化新激光器运行的理论是由麻省理工学院应用数学和物理学教授Steven Johnson和他的研究生Fan Wang提出的。

研究人员将量子级联激光泵与一氧化二氮(即笑气)激光结合起来。

“通过优化激光腔和透镜,我们能够产生跨越近1太赫兹的频率,”卡帕索小组的研究生、论文的合著者阿曼·阿米尔詹(Arman Amirzhan)说。

“由量子级联激光器泵浦的分子THz激光器提供了高功率和宽调谐范围的惊人的紧凑和稳健的设计,”诺贝尔奖得主、慕尼黑的马克斯-普朗克量子光学研究所的西奥多·汉施(Theodor Hansch)说,他没有参与这项研究。“这些来源将开启从传感到基础光谱学的新应用。”

“令人兴奋的是,这个概念是通用的,”海洋研究所博士后研究员、该论文的第一作者保罗·谢瓦利埃(Paul Chevalier)说。“使用这个框架,你可以用几乎任何分子的气体激光制造太赫兹源,应用范围很广。”

“这个结果是独一无二的,”卡帕索说。“以前人们知道如何制造太赫兹激光,但无法制造宽带。直到我们开始合作,在一次会议上偶然遇到亨利之后,我们才能够建立联系,你可以使用一个广泛可调的泵,比如量子级联激光器。”

这种激光可以用于各种领域,从改善皮肤和乳腺癌成像到药物检测、机场安全,以及超大容量的光学无线链接。

埃弗里特说:“我对用这种激光绘制星际介质的可能性感到特别兴奋。”分子在太赫兹区域有独特的光谱指纹,天文学家已经开始使用这些指纹来测量这些原始气体云和尘埃的组成和温度。更好的地面太赫兹辐射源,比如我们的激光,将使这些测量更加灵敏和精确。”

哈佛技术发展办公室已经保护了与这个项目相关的知识产权,并正在探索商业化的机会。

这项研究是由哈佛大学的王、约翰逊和马可·皮卡多共同撰写的。它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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