激光组合开启了未来太赫兹技术的大门

研究人员已经创建了一种新型的太赫兹辐射发射器，它具有备受追捧的频率调节功能。紧凑的资源可以促进未来通信、安全、生物医学和天文成像系统的开发。高带宽、高分辨率、远距离感应以及通过材料可视化物体的能力，使得太赫兹电磁频率倍受青睐。然而，传统的太赫兹发射器价格昂贵、体积大、效率低和缺乏可调谐性阻碍了这些有希望的途径。这种新的组合式激光太赫兹光源是哈佛大学、美国陆军、麻省理工学院和杜克大学研究人员合作的产物，为未来的技术铺平了道路，从机场和天文台的T射线成像到超大容量无线连接。

实验设置显示了系统组件，并突出了量子级联激光（红色）和太赫兹辐射（蓝色）遵循的路径。

哈佛大学的共同资深作家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）解释说：“现有信号源的可调性有限，不超过主频率的15％至20％，因此可以说太赫兹的利用率未得到充分利用。” “我们的激光器打开了这个光谱区域，我认为这将产生革命性的影响。”该团队现在已经描述了这种可广泛调谐和紧凑的太赫兹激光系统的理论证明和演示。

完美的伙伴关系

卡帕索对激光技术并不陌生。他发明了一种紧凑的可调谐半导体激光器，量子级联激光器（QCL），该激光器在商业上用于化学传感和痕量气体分析。 QCL发出中红外光，即大多数气体具有其特征吸收指纹的光谱区域，以检测低浓度的分子。但是直到2017年的一次会议上，卡帕索遇到了美国陆军高级技术专家，杜克大学兼职教授亨利·埃弗里特（Henry Everitt）时，才形成了将广泛可调的QCL应用于太赫兹激光器的想法。

埃弗里特（Everitt）与麻省理工学院的史蒂文·约翰逊（Steven Johnson）的小组一起，从理论上计算出，可以从腔中保存的气体分子高效地发射太赫兹波，而这些分子远小于目前在光学泵浦远红外（OPFIR）激光器（OPFIR激光器的最早来源）上使用的分子。像所有传统的太赫兹光源一样，OPFIR的效率低下，而且可调谐性有限。但是，在理论计算的指导下，卡帕索的团队得以使用QCL来显著增加一氧化二氮（笑气）OPFIR激光器的太赫兹调谐范围。卡帕索说：“同一台激光器现在已经可以广泛调谐-这是两个现有激光器之间的完美结合。”

普遍使用

在用盒装大小的QCL泵浦分子激光器QPML进行的初始实验中，研究人员证明，可以调整太赫兹输出，以产生29个直接的激光跃迁，介于0.251和0.955 THz之间。

QCL泵浦太赫兹激光器的艺术性视图，显示了QCL光束（红色）和太赫兹光束（蓝色）以及腔体内的旋转分子。该图显示了每种气体的发射光谱。 QCL是连续可调的，太赫兹激光器会以离散频率和不同范围发射，具体取决于激光器中使用的气体。

Johnson和Everitt的理论模型强调了一氧化二氮为强极性气体，并预测QPML会释放太赫兹。类似地，已经预测了其他气体分子的整个菜单在不同的频率和调谐范围下产生太赫兹的情况。使用此菜单，应该有可能选择适合几乎所有应用的气体激光器。卡帕索说：“这是一个通用概念，因为它可以应用于其他气体。” “我们还没有达到1太赫兹，因此下一步是尝试使用一氧化碳激光器并提高到几太赫兹，这对应用程序来说非常令人兴奋！”卡帕（Capasso）和埃弗里特（Everitt）都特别热衷于使用激光向天空看，并灵敏地识别太赫兹区域中未知的光谱特征。该团队正在开发更高功率的太赫兹QPML，用于天文观测，同时也热切地致力于其他商业应用。