新的太赫兹频率激光打开了一个大的，未充分利用的电磁频谱区域。

 

太赫兹频率范围——位于微波和红外光之间的电磁波谱的中间——为高带宽通信、超高分辨率成像、射电天文学的精确远程遥感等提供了潜力。

 

但是这部分的电磁波谱仍然超出了大多数应用。这是因为当前的太赫兹频率源体积大，效率低，调谐有限，或者必须在低温下工作。

 

现在，来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(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、室温、可广泛调谐的太赫兹激光器。天富是做什么的？

 

QCL泵浦的THz激光器

 

QCL泵浦的太赫兹激光器的艺术视图显示了腔内的QCL光束(红色)和太赫兹光束(蓝色)以及旋转的N2O(笑气)分子。Arman Amirzhan信贷:哈佛大学的海洋天富是做什么的？

 

这项研究发表在今天(2019年11月15日)的《科学》杂志上。

 

“这激光优于任何现有的激光源在这个光谱区和打开它的时候,第一次,广泛的应用在科学和技术,”费德里科•卡帕索说,应用物理学的教授罗伯特·l·华莱士和文顿海耶斯高级研究员在电气工程海域和文章的第二作者的论文。

 

美国陆军CCDC航空与导弹中心的高级技术专家、该论文的共同高级作者亨利·埃弗里特说:“对这种激光光源有很多需求，比如短距离、高带宽无线通信、高分辨率雷达和光谱学。”

 

埃弗里特也是杜克大学的物理学兼职教授。

 

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调谐范围有限的难以捉摸的频率，Capasso、Everitt和他们的团队采取了不同的方法。

 

为了理解他们做了什么，让我们来了解一下激光如何工作的一些基本物理学。

 

THz激光实验装置

 

图片的实验设置显示不同的组成部分的系统。学分:Arman Amirzhan，哈佛海洋

 

在量子物理学中，被激发的原子或分子处于不同的能级——可以把它们想象成建筑物的楼层。在一个典型的气体激光器中，大量的分子被困在两个镜子之间，并被带到一个激发态能级，也就是建筑物的更高楼层。当它们到达那一层时，它们会衰减，下降一个能级并释放出光子。这些光子刺激更多的衰变分子来回反弹导致的光放大。要改变发射光子的频率，你需要改变被激发分子的能级。

 

那么，如何改变能级呢?一种方法是利用光线。在一个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——就像量子电梯一样。以前的太赫兹分子激光器使用的是光泵，但由于可调性有限，只能调到几个频率，这意味着电梯只能到几个楼层。

 

这项研究的突破在于，卡帕索、埃弗雷特和他们的团队使用了一种高可调的量子级联激光器作为他们的光泵。这些强大的便携式激光器是卡帕索和他在贝尔实验室的团队在20世纪90年代共同发明的，能够有效地产生广泛可调的光。换句话说，这个量子电梯可以停在大楼的每一层。

 

理论优化新的激光器的操作是由史蒂文约翰逊,麻省理工学院应用数学和物理学教授,他的研究生王粉丝和暴力。

 

慕尼黑马克斯·普朗克量子光学研究所的诺贝尔奖获得者Theodor Hansch说:“由量子级联激光器泵浦的分子THz激光器具有高功率和宽调谐范围，设计紧凑而坚固。”Theodor Hansch没有参与这项研究。“这样的光源将开启从传感到基础光谱学的新应用。”

 

“令人兴奋的是，这一概念是通用的，”该论文的第一作者、海洋研究所博士后保罗·舍瓦利埃(Paul Chevalier)说。“使用这个框架，你可以用几乎任何分子的气体激光器制作太赫兹光源，而且应用非常广泛。”

 

研究人员将量子级联激光泵与一氧化二氮(又名笑气)激光结合在一起。

 

“通过优化激光腔和镜片，我们能够产生近1太赫兹的频率，”卡帕索小组的研究生、论文的合著者阿尔曼·阿米尔詹说。