江蘇雷射聯盟導讀：據《Science》報導，來自MIT，哈佛大學以及美國陸軍的研究人員通過一種特殊的紅外雷射氧化亞氮分子（俗稱笑氣），在一個新的尺寸只有鞋盒大小的雷射器可以產生太赫茲波（綠色曲線），笑氣儲存在一個只有鋼筆尺寸大小的腔體中（灰色）。這是一種比X射線解析度更高和更具安全性的一種檢測射線。
太赫茲雷射促使Ｔ射線成為可能
圖解：通過一種特殊的紅外雷射（紅色來旋轉）氧化亞氮分子（俗稱笑氣），在一個新的尺寸只有鞋盒大小的雷射器可以產生太赫茲波（綠色曲線），笑氣儲存在一個只有鋼筆尺寸大小的腔體中（灰色）。
研究人員利用笑氣（氧化亞氮分子）產生了太赫茲雷射，該裝置將促進T——射線視力成為可能，並將實現更好的無線通訊。
太赫茲電磁波位於微波和可見光的太赫茲輻射的範圍，該波段的光將促成T－射線視力的實現。
太赫茲波具有的頻率高於微波，低於紅外波段的光和可見光的波段。可見光在傳播的時候會被大多數的材料所阻擋，太赫茲波卻可以穿過它（這些材料），這一點同微波比較相似。如果將這一特性製造成雷射，太赫茲波就會形成T——射線視力，它所具有的能力為可以穿透衣服，書本的封面以及其他薄的材料等。同微波相比較，這一技術可以用來製造出清晰、高解析度圖像，同時在安全性上比X射線要安全。
太赫茲系統的實驗裝置的不同部件，並突出顯示了 QCL光（紅色）和太赫茲發射（藍色）的生成路徑
我們之所以沒有看到Ｔ——射線的機器的工作，如在機場的安檢條線上和醫學影像設備中會產生太赫茲的輻射，是因為太赫茲工作時需要體積非常非常龐大且笨重的設施或器件，並且許多部件還需要運行在超低溫的環境下，而且此時產生的太赫茲為單一頻率的，其用處不大，因為在穿透不同材料的時候需要大量的不同頻率的太赫茲才能實現。
實驗裝置的設置圖和採用笑氣（ N2O） 分子雷射產生的太赫茲結果
如今，來自MIT，哈佛大學以及美國陸軍研究辦公室的研究人員研製了一個緊湊型的，尺寸只有鞋盒大小的，可以工作在室溫的條件下產生太赫茲雷射，且產生的頻率可以在非常寬廣的範圍內。這一器件構建在商業用的，現成的零件並設計成通過在氧化亞氮（俗稱笑氣）中旋轉起來分子的能量可以產生太赫茲波。
Steven Johnson，是來自MIT的數學教授，說到，除了T——射線視覺之外，太赫茲波可以用來作為一種無線通訊的工具，攜帶信息比雷達的帶寬要寬的多。例如，在穿過一定距離的時候，科學家可以調製並使用這一器件來實現通訊。
QCL泵浦的THz雷射的藝術繪圖
圖解：顯示了QCL光束（紅色）和THz光束（藍色） 沿著腔體內的旋轉的笑氣（N2O）分子的情形
通過調製太赫茲的頻率，你可以選擇波長的範圍來達到目標物體之前先穿過空氣，這個距離可以是從幾米到幾公裡，這一距離可以在你所聽到的比較精確的太赫茲通訊所告訴你的距離或者是你通過太赫茲雷達所控制的精確的距離，Johnson 說到，同你在調頻收音機的頻率非常類似，你也可以非常容易的調製太赫茲的源頭,對開闢無線通訊，雷達和光譜學的新的應用領域是至關重要的。
Johnson及其同事將這一研究結果進行了發表，並發表在期刊《Science》上。共同作者包括MIT的博士後Fan Wang， Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo以及哈佛大學的Federico Capasso和美國陸軍作戰能力發展司令部航空和飛彈中心(CCDC AvMC; Combat Capabilities Development Command Aviation & Missile Center)的Henry Everitt。
自1970年開始，科學家們就開展了產生太赫茲波的實驗。採用的是氣體分子雷射來產生，其實驗裝置是一個高功率的紅外雷射照射進一個大型的管子中，這個管子中充滿氣體（比較典型的是氟代甲烷），其分子可以通過振動和最終的旋轉來發生反應。旋轉的分子可以從一個能級躍遷到另外一個能級，其能量的差別就可以發射出一種剩餘的能量，其能量形式就是一種太赫茲波長範圍的光子。當更多的光子在腔體內聚集的時候，就會產生太赫茲雷射。
如何提高設計這些氣體雷射的能力受到不可靠的理論模型的阻礙，研究人員說到。在小的腔體內且比較高的氣體壓力，分子模型預測認為，在超過一定的壓力的時候，分子就會由於過於狹窄而快速旋轉和發射出太赫茲波。部分由於這個原因，太赫茲氣體雷射比較典型的用於數米長度的腔體內和比較大的紅外雷射。
系統的不同組件的實驗設置的圖片
然而，在1980年代，Everitt 發現他可以在實驗室利用氣體雷射來產生太赫茲波，他們所採用的氣體雷射小於傳統的器件，其氣體壓力也比模型中所提到的可能的壓力要高得多。這一差異一直沒能很好的給與解釋，工作在太赫茲氣體雷射時由於其他途徑的相對容易的操作而半途中止了。
大約在幾年以前，Everitt提到這一理論對 Johnson來說的神秘性，當他們合作成為MIT的用於士兵的納米技術研究所的一部分工作的時候。同 Everitt一起，Johnson和 Wang接受挑戰，並最終推道出一個新的數學理論來描述在分子氣體雷射腔中氣體的行為。這一理論同時成功的解釋了太赫茲波是如何發射的，甚至是從更小的空間，更高的壓力的腔體內發射出太赫茲波。
Johnson說，當氣體分子可以在一個紅外泵浦的作用下以不同的頻率和不同的旋轉速率振動的時候，早先的理論在解釋這些振動的狀態時存在折扣，假設認為少量的振動最終會導致材料產生太赫茲波。如果腔體過小，早先的理論建議分子的振動同進來的紅外雷射會相互之間發生碰撞，就會釋放出他們的能量，並不是繼續積累而進行快速旋轉和產生太赫茲。
頂替的是，新的模型對一個單腔中的百萬個分子組的成百上千個相關的振動和旋轉的狀態進行了追蹤，使用的新的計算技巧來使得這一巨大的問題可以在一個桌面型的計算機上進行追蹤。然後分析了這些分子將會如何同輸入進來的紅外光進行作用，取決於他們在腔體中的位置和方向。
我們發現當你包括進這些其他的振動狀態的時候，人們曾經會拋出，他們會給你一個緩衝物。Johnson說到，在簡單的模型中，分子在旋轉中，當他們撞上其他分子的時候就會失去所有。一旦你將所有的這些狀態都包括進去，就不會再發生。這些衝撞會轉移能量至其他振動的狀態，有那麼一點，給你更多的喘息空間來保持旋轉和保持產生太赫茲波。
一旦研究團隊發現他們的新模型可以精確的預測Everitt在幾十年前所觀察到的現象，他們同哈佛大學 Capasso團隊合作，設計了一個新型的緊湊型的太赫茲發生器，通過結合模型新的紅外雷射來產生太赫茲雷射。
對於紅外光源，研究人員使用一個量子級聯雷射器（quantum cascade laser, 簡寫為 QCL），一種最近發展的新型的雷射器，結構緊湊同時也是可調製的。
你可以如同電話拔號一樣，它可以改變輸入雷射的頻率，同時我們期望我們可以使用它來改變太赫茲的頻率，Johnson說到。
研究人員同Capasso進行合作，他在發展QCLs的過程中是一個先驅者，他提供了一個雷射器，可以製造一定範圍的功率的雷射，依據他們的理論預測將能在一個只有鋼筆大小（這一尺寸是傳統腔體的千分之一的樣子）腔體的尺寸中工作。研究人員就將目光轉向氣體的旋轉。
研究團隊在圖書館查找各種氣體的資料，識別出那些可以在紅外光中以一定的方式進行旋轉的氣體，最終鎖定在笑氣（氧化亞氮）上，這是一種理想的氣體和他們開展實驗所選擇的氣體。
他們定製了實驗室級別的笑氣（氧化亞氮） ，他們將氣體泵浦進只有鋼筆尺寸大小的腔體中。當他們將紅外光從QCL中輸送進腔體中，他們發現可以製造出太赫茲雷射。當他們調製QCL的時候，太赫茲的頻率波也同時可以在一定範圍內進行調節。
Wang 說到，.這些實驗證實了太赫茲分子雷射源的通用概念，即當採用連續的可以調節的QCL進行泵浦的時候，可以在廣泛的範圍內在其整個旋轉狀態進行調節。
基於這些初步的實驗，研究人員拓展了他們的數學模型，包括大範圍的氣體分子 ，如二氧化碳和氨，這些為研究人員發展太赫茲來產生不同的頻率和調節它提供了一個菜單，配以QCL來對每種氣體進行實驗。研究人員的理論工具同時也促使科學家可以定製他們的腔體來實現不同的應用。他們正在極力推進研製更加聚焦的光束和更高的雷射功率，從而有利於在水平線上實現商業化。
Johnson說到，科學家可以依據數學模型來使用其他氣體和實驗參數設計出新的，緊湊的且可調節的太赫茲雷射。
這些氣體雷射在很長一段時間內，被看作一種過時的技術，人們認為氣體雷射體積龐大，功率低，不可調節，因此他們開始尋找其他的太赫茲光源， Johnson說到，現在，我們欣喜的看到，我們可以製造出體積小，可調製和更為方便高效的氣體雷射器。你可以把這個放在你的背包裡，或者在你的交通工具內來實現無線通訊或高解析度的影像。
這一研究成果發表在期刊《Science》上，並且該工作得到了美國陸軍研究辦公室和國家自然科學基金的資助。
文章來源: 「Widely tunable compact terahertz gas lasers」 by Paul Chevalier, Arman Armizhan, Fan Wang, Marco Piccardo, Steven G. Johnson, Federico Capasso and Henry O. Everitt, 15 November 2019, Science.DOI: 10.1126/science.aay8683和US Army Futures Command和Harvard SEAS。