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哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員邁出了重要一步，將太赫茲頻率從難以到達(dá)的電磁頻譜區(qū)域并進(jìn)入日常應(yīng)用。研究團(tuán)隊展示的新型緊湊型太赫茲激光器，在室溫環(huán)境下就可以產(chǎn)生120個跨越0.25-1.3太赫茲范圍的單獨頻率，比以前的太赫茲光源寬得多。該團(tuán)隊報告說，該設(shè)備是同類產(chǎn)品中的第一款。

■實驗裝置示意圖。鍍金硅片用作分束器，將泵浦光束的一小部分反射到氣室中，而其余部分則進(jìn)入太赫茲腔。（來源：Capasso實驗室/哈佛SEAS）

“這是一種產(chǎn)生太赫茲輻射的飛躍技術(shù)，”該論文的高級作者、SEAS應(yīng)用物理學(xué)教授 Federico Capasso談到，“由于其緊湊性、效率、寬調(diào)諧范圍和室溫操作，這種激光器有可能成為在成像、安全或通信應(yīng)用中彌合現(xiàn)有技術(shù)差距的關(guān)鍵?！?/p>

太赫茲頻率范圍是位于微波和紅外光之間的電磁頻譜中間。目前該頻率范圍仍然難以應(yīng)用，時因為大多數(shù)太赫茲光源要么非常笨重、效率低下，要么需要低溫設(shè)備才能產(chǎn)生難以捉摸的有限調(diào)諧的頻率。

2019年，卡帕索集團(tuán)與麻省理工學(xué)院和美國陸軍合作開發(fā)了一種激光器原型，證明太赫茲頻率源可以是緊湊的、室溫的和廣泛可調(diào)的。該合作通過將量子級聯(lián)激光器泵浦（QCL pump）與一氧化二氮分子激光器相結(jié)合來實現(xiàn)該功能。

哈佛研究人員取得的成果是上述原型設(shè)備調(diào)整范圍的三倍多。除其他進(jìn)步外，新激光器用甲基氟化物代替一氧化二氮，甲基氟化物是一種與光場發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)的分子。SEAS研究生、該論文第一作者Arman Amirzhan表示，甲基氟化物非常擅長吸收紅外線和發(fā)射太赫茲，通過使用無毒的甲基氟，可以顯著提高激光器的效率和調(diào)諧范圍。

“甲基氟化物作為太赫茲激光器已經(jīng)使用了近50年，但當(dāng)它被體積龐大的二氧化碳激光器泵浦時，只會產(chǎn)生幾個激光頻率，”美國陸軍光學(xué)科學(xué)高級技術(shù)專家Henry Everitt說，“我們報告的兩項創(chuàng)新，由量子級聯(lián)激光器泵浦形成的一個緊湊激光腔，結(jié)合起來使甲基氟能夠在數(shù)百條線上產(chǎn)生激光?！?/p>

研究人員說，這種激光器有可能成為有史以來設(shè)計的最緊湊太赫茲激光器之一。該團(tuán)隊的目標(biāo)是使其更加緊湊?！靶∮诹⒎接⒊叩脑O(shè)備將使我們能夠?qū)⑦@一頻率范圍作為目標(biāo)，在短程通信、短程雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)和成像方面的更多應(yīng)用。”SEAS研究助理兼首席研究員Paul Chevalier對此表示。

“成熟、緊湊的量子級聯(lián)激光器與分子激光增益介質(zhì)相結(jié)合，形成了一個非常強(qiáng)大的太赫茲激光平臺，應(yīng)用范圍從基礎(chǔ)研究到太赫茲分子檢測和成像、太赫茲通信和安全等?！盌RS Daylight Solutions高級副總裁兼總經(jīng)理、論文作者Timothy Day談到。