太赫茲頻率范圍位于微波和紅外光之間的電磁頻譜的中間位置，具有進(jìn)行高帶寬通信，超高分辨率成像，用于射電天文學(xué)的精確遠(yuǎn)程感測(cè)的潛力。

但是，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，電磁頻譜的這一部分仍然遙不可及。那是因?yàn)樘掌濐l率的電流源體積大，效率低，調(diào)諧受限或必須在低溫下工作。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員與麻省理工學(xué)院和美國(guó)陸軍合作開(kāi)發(fā)了一種緊湊的，室溫下，可廣泛調(diào)諧的太赫茲激光器。

Robert L. Wallace應(yīng)用物理學(xué)教授和Vinton Hayes說(shuō)：“這種激光器的性能優(yōu)于該光譜范圍內(nèi)的任何現(xiàn)有激光源，并首次將其開(kāi)放給廣泛的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用。” SEAS電氣工程高級(jí)研究員，該論文的共同資深作者。

美國(guó)陸軍CCDC航空與導(dǎo)彈中心高級(jí)技術(shù)專(zhuān)家，聯(lián)合研發(fā)中心的“該論文的高級(jí)作者。

埃弗里特(Everitt)還是杜克大學(xué)(Duke University)的物理學(xué)兼職教授。

盡管大多數(shù)電子或光學(xué)太赫茲源使用大型，效率低下和復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生有限調(diào)諧范圍的難以捉摸的頻率，但Capasso，Everitt及其團(tuán)隊(duì)采用了不同的方法。

為了了解他們做了什么，讓我們回顧一下激光工作原理的一些基本物理原理。

在量子物理學(xué)中，受激發(fā)的原子或分子處于不同的能級(jí)-將它們視為建筑物的地板。在典型的氣體激光器中，大量分子被困在兩個(gè)反射鏡之間，并達(dá)到激發(fā)能級(jí)，也就是建筑物的較高樓層。當(dāng)它們到達(dá)該樓層時(shí)，它們會(huì)衰減，下降一個(gè)能級(jí)并發(fā)出光子。這些光子在來(lái)回反彈時(shí)會(huì)刺激更多分子的衰變，從而導(dǎo)致光的放大。要更改所發(fā)射光子的頻率，您需要更改被激發(fā)分子的能級(jí)。

那么，如何改變能量水平?一種方法是使用光。在稱(chēng)為光泵浦的過(guò)程中，光將分子從較低的能級(jí)提升到較高的能級(jí)，就像量子電梯一樣。以前的太赫茲分子激光器使用光泵，但其可調(diào)諧性?xún)H限于少數(shù)幾個(gè)頻率，這意味著電梯只能到達(dá)少數(shù)樓層。

這項(xiàng)研究的突破在于，卡帕索，埃弗里特及其團(tuán)隊(duì)使用了高度可調(diào)的量子級(jí)聯(lián)激光器作為其光泵。這些功能強(qiáng)大的便攜式激光器由卡帕索和他的小組在1990年代的貝爾實(shí)驗(yàn)室共同發(fā)明，能夠有效產(chǎn)生可廣泛調(diào)諧的光。換句話說(shuō)，該量子電梯可以停在建筑物的每一層。

麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理教授史蒂芬·約翰遜，研究生王旺和埃弗里特提出了優(yōu)化新激光器運(yùn)行的理論。

慕尼黑馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者西奧多·漢施說(shuō)：“由量子級(jí)聯(lián)激光器泵浦的分子太赫茲激光器提供了高功率和寬調(diào)諧范圍，且結(jié)構(gòu)出奇的緊湊和堅(jiān)固。”他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“這些來(lái)源將開(kāi)辟?gòu)膫鞲械交A(chǔ)光譜的新應(yīng)用。”

該論文的第一作者，SEAS的博士后研究員Paul Chevalier說(shuō)：“令人興奮的是，這個(gè)概念是普遍的。”“使用該框架，您可以使用幾乎任何分子的氣體激光器制造太赫茲光源，應(yīng)用范圍非常廣泛。”

研究人員將量子級(jí)聯(lián)激光泵與一氧化二氮(又稱(chēng)笑氣)激光結(jié)合在一起。

“通過(guò)優(yōu)化激光腔和透鏡，我們能夠產(chǎn)生接近1 THz的頻率，”卡帕索研究組的研究生，論文的合著者Arman Amirzhan說(shuō)道。

卡帕索說(shuō)：“這種結(jié)果是其中之一。”“人們以前知道如何制作太赫茲激光，但無(wú)法寬帶化。直到與亨利在一次會(huì)議上偶然碰面之后，我們開(kāi)始了這項(xiàng)合作，我們才得以建立可以使用的連接像量子級(jí)聯(lián)激光器這樣可廣泛調(diào)諧的泵。”

該激光器可用于從改善的皮膚和乳腺癌成像到藥物檢測(cè)，機(jī)場(chǎng)安全和超大容量光學(xué)無(wú)線鏈路的所有領(lǐng)域。

埃弗里特說(shuō)：“我對(duì)使用這種激光幫助繪制星際介質(zhì)的可能性感到特別興奮。”“分子在太赫茲區(qū)域具有獨(dú)特的光譜指紋，天文學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始使用這些指紋來(lái)測(cè)量這些氣體和塵埃原始云的成分和溫度。像我們的激光器這樣更好的地面太赫茲輻射源將進(jìn)行這些測(cè)量甚至更加靈敏和精確。”