太赫兹激光技术为更好的传感,成像和通信铺平了道路

时间:2019-11-16 12:54 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

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。

  新型太赫兹频率激光器打开了电磁频谱未使用的较大区域。

  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,对于大多数应用而言,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。

  

太赫兹激光技术为更好的传感,成像和通信铺平了道路

 

  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。

  “该激光器的性能优于该光谱范围内的任何现有激光源,并首次将其开放给科学和技术领域的广泛应用,” Robert L. Wallace应用物理学教授和Vinton Hayes教授Federico Capasso说。 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航空与导弹中心高级技术专家,联合研发中心的“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。

  虽然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有限的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。

  为了了解他们做了什么,让我们回顾一下激光工作原理的一些基本物理原理。

  

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。学分:哈佛大学东南欧地区的Arman Amirzhan

  在量子物理学中,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,但是它们的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一层。

  麻省理工学院应用数学和物理教授史蒂芬·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(TheodorHänsch)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。” “这些资源将开辟从传感到基础光谱的新应用。”

  “令人兴奋的是,这个概念是普遍的,” SEAS的博士后研究员,该论文的第一作者Paul Chevalier说。“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,该论文的合著者Arman Amirzhan说。

  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器,但无法宽带化。直到我们在一次会议上与亨利碰巧碰面之后,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组成和温度。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。”

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