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笑吧!MIT成功用笑气产生太赫兹激光

太赫兹波的频率高于微波,而低于红外线和可见光。可见光能被大多数材料阻挡时,但太赫兹波却就像微波一样可以直接穿过这些材料。如果将它们制成激光,太赫兹波可能会启用“ T射线视觉”,并具有穿透衣服,书皮和其他薄材料的能力。这种技术可以产生比微波更清晰的高分辨率图像,并且比X射线安全得多。

例如,在机场安检线和医学成像设施中看不到T射线机的原因是,产生太赫兹辐射需要非常大且笨重的装置或设备,其中许多设备还要求在超冷温度下运行,而且一次只能产生太赫兹辐射频率。考虑到要穿透各种材料还需要广泛的频率,所以这不是很实际。

现在,麻省理工学院,哈佛大学和美国陆军的研究人员已经制造出一种紧凑的设备,它的大小相当于鞋盒的大小,可以在室温下工作,以产生太赫兹激光,其频率可以在很宽的范围内调谐。该设备由现成的商业零件制造而成,旨在通过旋转一氧化二氮(笑气)中的分子能量来产生太赫兹波。

笑气产生的太赫兹激光

图片来源:麻省理工学院

麻省理工学院的史蒂文·约翰逊说:“这些气体激光器长期以来一直被视为旧技术,它们是庞大的,低功率的,不可调的,因此人们就把目光转向了其他太赫兹光源。而现在,我们可以把它们变得更小,可调并且功率更高。我们可以将其装在背包中,也可以装在车辆中以进行无线通信或高分辨率成像。”

在20世纪80年代,美国军队作战能力发展司令部航空和导弹中心的亨利·埃弗里特发现,他能够通过使用一种比传统设备小得多,并且比模型设计的承压能力要高得多的气体激光,产生太赫兹光波。这种差异当时还未得到充分的解释。

就在几年前,埃弗里特跟麻省理工数学教授约翰逊提出了该理论,两人曾在麻省理工学院的士兵纳米技术研究所开展过合作。埃弗里特、约翰逊还有同是麻省理工的王凡,进行了理论研究,最终制定了一种新的数学理论来描述分子气体激光腔中气体的行为。并且该理论还成功地说明了即使从很小的高压腔中也可以发射太赫兹波。

在他们计算证实了埃弗里特几十年前的观察结果后,便与哈佛大学的Capasso小组合作,设计了一种新型的太赫兹发生器。

对于红外光源,研究小队使用了量子级联激光器(QCL),它是一种紧凑且可调的新型激光器。然后研究小队要去寻找一种可以旋转的气体。他们搜索了各种气体库,以识别已知会以某种方式对红外光做出旋转反应的气体,最终选择了一氧化二氮(笑气),作为他们实验的理想气体。

研究人员将一氧化二氮泵入笔型大小的高压腔中,并用量子级联激光器发出红外光到高压腔中,太赫兹激光就产生了。而且研究人员只要通过调节量子级激光器,就能让太赫兹光波频率在大范围内发生变化。

自最初的实验以来,研究人员已扩展了他们的数学模型,使其包含多种其他气体分子,例如一氧化碳和氨,从而为科学家提供了具有不同频率和调谐范围的不同太赫兹生成选项的列表,以及与量子级联激光器匹配的列表。现在,随着商业发展的到来,他们正在朝着更聚焦的光束和更高的功率的方向进行研究。

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