太赫兹激光技术为更好的传感，成像和通信铺平了道路

实验设置图片显示了系统的不同组件，并突出显示了QCL光（红色）和THz辐射（蓝色）遵循的路径。

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，射电天文学的精确远程感测等提供了潜力。

但是对于大多数应用来说，电磁频谱的这一部分仍然遥不可及。那是因为太赫兹频率的电流源体积大，效率低，调谐受限或必须在低温下工作。

现在，哈佛大学约翰·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开发了一种紧凑的，室温下，可广泛调谐的太赫兹激光器。

QCL抽运的THz激光的艺术视图，显示了QCL光束（红色）和THz光束（蓝色），以及腔体内旋转的N2O（笑气）分子。

该研究今日（2019年11月15日）发表在《科学》杂志上。

罗伯特·华莱士应用物理学教授，文顿·海斯教授费德里科·卡帕索（Federico Capasso）说：“这种激光器的性能优于该光谱范围内的任何现有激光源，并首次向广泛的科学和技术领域开放。” SEAS电气工程高级研究员，该论文的共同资深作者。

美国陆军CCDC航空与导弹中心的高级技术专家亨利·埃弗里特（Henry Everitt）表示：“对这种激光源有很多需求，例如短距离，高带宽无线通信，超高分辨率雷达和光谱学。”该论文的高级作者。

埃弗里特（Everitt）还是杜克大学（Duke University）的物理学兼职教授。

尽管大多数电子或光学太赫兹源使用大型，低效和复杂的系统来产生具有有限调谐范围的难以捉摸的频率，但Capasso，Everitt及其团队采用了不同的方法。

为了了解他们的工作，让我们回顾一下激光工作原理的一些基本物理原理。

实验设置图片显示了系统的不同组件。学分：哈佛SEAS的Arman Amirzhan

在量子物理学中，受激发的原子或分子处于不同的能级-将它们视为建筑物的地板。在典型的气体激光器中，大量分子被困在两个反射镜之间，并达到激发能级，也就是建筑物的较高楼层。当它们到达该楼层时，它们会衰减，下降一个能级并发出光子。这些光子在来回反弹时会刺激更多分子的衰变，从而导致光的放大。要更改所发射光子的频率，您需要更改被激发分子的能级。

那么，如何改变能量水平？一种方法是使用光。在称为光泵浦的过程中，光将分子从较低的能级提升到较高的能级，例如量子升降器。以前的太赫兹分子激光器使用光泵，但其可调谐性仅限于少数几个频率，这意味着电梯只能到达少数楼层。

这项研究的突破在于，卡帕索，埃弗里特及其团队使用了高度可调的量子级联激光器作为其光泵。这些功能强大的便携式激光器由卡帕索和他的小组在1990年代的贝尔实验室共同发明，能够有效产生可广泛调谐的光。换句话说，该量子电梯可以停在建筑物的每个楼层上。

麻省理工学院应用数学和物理学教授史蒂芬·约翰逊，研究生范旺和埃弗里特（Everitt）提出了优化新激光器运行的理论。

慕尼黑马克斯·普朗克量子光学研究所的诺贝尔奖获得者西奥多·汉施说：“由量子级联激光器泵浦的分子太赫兹激光器以令人惊讶的紧凑和坚固的设计提供了高功率和宽调谐范围，”他没有参与这项研究。“这些来源将开辟从传感到基础光谱的新应用。”

该论文的第一作者，SEAS的博士后研究员Paul Chevalier说：“令人兴奋的是，这个概念是普遍的。”“使用该框架，您可以使用几乎任何分子的气体激光器制造太赫兹光源，应用范围非常广泛。”

研究人员将量子级联激光泵与一氧化二氮（又称笑气）激光器结合在一起。

“通过优化激光腔和透镜，我们能够产生接近1 THz的频率，”卡帕索研究组的研究生，论文的合著者Arman Amirzhan说道。

卡帕索说：“这种结果是其中之一。”“人们以前知道如何制作太赫兹激光，但无法实现宽带化。直到我们在一次会议上与亨利偶然碰面之后，我们才开始进行这项合作，我们才能够建立连接，从而可以使用诸如量子级联激光器之类的可广泛调谐的泵。”

该激光器可用于从改善的皮肤和乳腺癌成像到药物检测，机场安全和超大容量光学无线链路的所有领域。

埃弗里特说：“我对使用这种激光帮助绘制星际介质的可能性感到特别兴奋。”“分子在太赫兹区域具有独特的光谱指纹，天文学家已经开始使用这些指纹来测量这些原始的气体和尘埃云的成分和温度。像我们的激光器这样更好的地面太赫兹辐射源将使这些测量更加灵敏和精确。”

阅读《太赫兹激光可能启用“ T射线视觉”》，以了解有关此突破的更多信息。

###

参考：Paul Chevalier，Arman Amirzhan，Fan Wang，Marco Piccardo，Steven G.Johnson，Federico Capasso和Henry O.Everitt的“宽可调紧凑型太赫兹气体激光器”，2019年11月15日，科学。DOI：
10.1126 / science.aay8683

哈佛技术发展办公室已经保护了与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化机会。

该研究由Fan Wang（麻省理工学院），Marco Piccardo（哈佛大学）和Steven G. Johnson（麻省理工学院）合着。它得到了美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会的部分支持。