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新型緊湊太赫茲激光器能在室溫下工作

發(fā)布日期：2019-12-05

來源：科技日?qǐng)?bào)

美國(guó)科學(xué)家研制出一款緊湊型、在室溫下工作、能廣泛調(diào)諧的太赫茲激光器，是迄今性能最優(yōu)異的太赫茲激光器，有望在高帶寬通信、超高分辨率成像、射電天文學(xué)等領(lǐng)域“大顯身手”。

太赫茲頻率范圍位于電磁頻譜（介于微波和紅外線之間）的中間，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)科術(shù)領(lǐng)域，但由于太赫茲頻率激光光源體積大、效率低、調(diào)諧受限或必須在低溫下工作，所以，這一區(qū)域的電磁頻譜對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，仍可望而不可即。

有鑒于此，哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國(guó)陸軍合作，研制出最新款太赫茲激光器。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《科學(xué)》雜志。它的大小類似于鞋盒的大小，可以在室溫下工作，以產(chǎn)生太赫茲激光，其頻率可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。團(tuán)隊(duì)制造的太赫茲射線設(shè)備的重要之處在于它只有鞋盒般的大小。

此次研究的突破在于，使用了高度可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器作為光泵，能夠有效產(chǎn)生可廣泛調(diào)諧的光。哈佛大學(xué)的卡帕索?費(fèi)德里科等人將這些量子級(jí)聯(lián)激光泵與一氧化二氮激光器結(jié)合在一起，并優(yōu)化了激光腔和透鏡，產(chǎn)生了接近1太赫茲的頻率。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、馬克斯?普朗克量子光學(xué)研究所的西奧多?漢斯并沒有參與這項(xiàng)研究。他表示：“由量子級(jí)聯(lián)激光器泵浦的分子太赫茲激光器結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固，提供了高功率和寬調(diào)諧范圍，將開辟?gòu)膫鞲械交A(chǔ)光譜的新應(yīng)用領(lǐng)域?！?/font>

論文第一作者，哈佛大學(xué)博士后研究員保羅?謝瓦利埃說：“這個(gè)概念是通用的，使用該架構(gòu)，我們可以使用幾乎任何分子的氣體激光器制造太赫茲光源?！?/font>

美國(guó)陸軍航空與導(dǎo)彈中心高級(jí)技術(shù)專家亨利?埃弗里特稱：“短距離、高帶寬無線通信、超高分辨率雷達(dá)和光譜學(xué)等領(lǐng)域，都需要這種激光器。尤其是在測(cè)量星際介質(zhì)的組成和溫度等領(lǐng)域，星際分子在太赫茲區(qū)域擁有獨(dú)特的光譜‘指紋’，天文學(xué)家已使用這些‘指紋’來測(cè)量其組成和溫度，像最新激光器這樣更好的地面太赫茲輻射源將使這些測(cè)量更靈敏、更精確?！?/font>

通常，這樣的機(jī)器需要大而笨重的設(shè)置，并且常常必須在超冷溫度下運(yùn)行。研究人員制造的這種設(shè)備使用了現(xiàn)成的部件，旨在通過旋轉(zhuǎn)一氧化二氮中的分子能量來產(chǎn)生太赫茲波。太赫茲波并不是唯一有用的東西。太赫茲波也可以用于一種無線通信形式，它以比雷達(dá)更高的帶寬傳送信息。

團(tuán)隊(duì)制造的設(shè)備使用一種稱為量子級(jí)聯(lián)激光器或QCL的紅外光源。該激光器是緊湊和可調(diào)諧的最新發(fā)展。在尋找氣體時(shí)，研究小組著眼于一氧化二氮，該氧化亞氮被泵入了筆形的空腔中。該團(tuán)隊(duì)可以使用其他氣體分子（例如一氧化碳和氨氣）以及與每種氣體匹配的QCL配對(duì)來創(chuàng)建類似的系統(tǒng)。

所有研究結(jié)果都證實(shí)了太赫茲激光源的普遍性概念，根據(jù)研究人員王帆（音譯）的說法，當(dāng)通過連續(xù)可調(diào)QCL泵浦時(shí)，太赫茲激光源可以在整個(gè)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行廣泛的調(diào)諧。該研究得到了美國(guó)陸軍研究辦公室和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。