哈佛大学研发可广泛调谐且紧凑的太赫兹激光器即将问世

PAYAL DHAR IEEE电气电子工程师

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哈佛大学的研究人员演示了一种可广泛调谐且紧凑的太赫兹激光器，该激光器具有短期商业应用的可能性。

尽管太赫兹辐射潜伏在微波和红外线之间，但由于其独特的物理特性，很难应用。在过去的几十年里，研究人员一直无法找到跨越0.3到3太赫兹电磁频谱范围的频率可调源。

DEVCOM陆军研究实验室的Henry Everitt说：“随着频率的增加，（辐射）电子源往往会变得越来越弱，因为它们的材料特性限制了设备在接近太赫兹区域时的性能。所以，虽然微波区域非常成熟……当你超过100千兆赫兹（0.1太赫兹）时，功率就会疯狂下降。从另一端看，随着频率的降低，辐射光源（例如红外激光器）会变得更糟，这也是因为材料的特性。太赫兹恰好是这两种技术都存在困难的地区。”

因此，Everitt补充说，利用太赫兹光谱需要的“不仅仅是电子或光学”。为了寻找这一光谱范围的实用光源，Everitt和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的同事们展示了一种太赫兹激光器，这种激光器结构紧凑，可在室温下工作，具有早期光源难以实现的广泛可调特性。

研究人员使用量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）泵和甲基氟化物分子激光器。这种化合物与光场发生强烈反应，吸收红外并发射太赫兹辐射。QCL也可以在比早期的二氧化碳激光器更紧凑的激光腔中工作。在概念验证测试中，该团队报告了120个介于0.25和1.3太赫兹之间的单独频率。

实验装置的如示意图。镀金硅片用作分束器，将一小部分泵浦光反射到参考气体电池中，而其余部分则进入太赫兹腔。

Everitt对光泵太赫兹激光器的研究兴趣跨越了近40年，早在20世纪80年代，他就致力于制造紧凑型分子激光器。他表示，“我们有大的CO2激光器，但它不是便携式的。现在我们用QCL取代了CO2激光器，部件小了很多，甚至可以把整个东西都放在鞋盒里。”

这种便携性也改变了游戏规则，特别是考虑到太赫兹频率因其众多潜在应用而备受追捧。Everitt说：“我向你们保证，当太赫兹技术成熟时，人们会对利用它感兴趣。”其应用包括了高带宽通信和高分辨率雷达。载波频率越高，你可以在上面增加更多带宽……使用高分辨率雷达……你可以获得非常精确的厘米级分辨率，甚至更精细的分辨率也能够实现。

Everitt表示，遥感应用也有可能出现：“分子在太赫兹区域有非常独特的特征，可以让你区分物种、毒素、化学试剂、可能构成威胁的东西，或者只是监测化工厂的情况。” 在地球之外也有潜在的应用，比如射电天文学家。“我认为天空是极限，”Everitt表示，“我们研究背后的目的是展示这一概念的普遍性，几乎任何可以存在于气相中并具有永久电偶极矩的分子都可以产生激光。”

正如Everitt所说，要将这一概念证明转化为一种用户友好的技术或设备，而不是必需要哈佛大学的博士科学家来进行操作，那么，该行业的合作伙伴必须介入。我们接下来的步骤是将其设计成一个成套系统，只需输入你想要的频率，然后输出你要求的辐射……系统将自动知道如何调整和优化性能。

回到实验室范畴，仍然有一些事情需要解决。由于大气对水蒸气的吸收，太赫兹辐射的范围受到限制。但Everitt认为这是一个功能，而不是一个bug。例如，串扰或干扰问题可能会受到限制。太赫兹实际上是非常有利的，因为大气衰减阻止了辐射永远持续下去。