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MIT教授研究出太赫兹激光调谐方法 |
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| http://cn.newmaker.com
5/24/2011 6:12:00 PM
佳工机电网
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30多年以来，科学家们不断的致力于有效的利用太赫兹辐射的研究。太赫兹在电磁波谱中位于微波和红外线之间，它可以轻易的穿透衣物、塑料和人体组织，但是由于能量低所以比X射线安全。由于不同的分子对太赫兹波有不同程度的吸收，因此可以通过这个原理来辨别不同的化学原料，比如像在机场的安检就可以利用太赫兹辐射来鉴别在封闭箱子里的小瓶子里面是否携带有像阿司匹林、脱氧麻黄碱或者爆炸物这些违禁物品。
但是在现实中很难找到一种有效的方法来产生太赫兹射线，传统的气体激光器可以工作在这一频段，但他们体积庞大、成本昂贵，而且效率低下。像我们平时使用的DVD中的半导体激光器，虽然体积小，价格便宜但是它却很难突破光波频段的限制，这之间的过渡正如考虑从用于最初的CD播放器的红外线激光器到用于蓝光碟片播放的蓝光激光器的转变一样的漫长。
1994年，贝尔实验室发明了一种叫做量子级联激光器（QCL）的小型高效的半导体激光器，2002年的时候就报道称这种QCL可以工作在太赫兹频段。但是要准确的分析物质的化理性质就要求有一个连续可调的频率范围来保证分析被研究物质对不同频率的吸收程度的差异。一位来自于MIT的电子研究实验室的叫做Qing Hu的电气工程的教授和他的同事们最近在《自然&光子学》杂志上发表的一片文章中第一次给出了确实有效的实现太赫兹波段的量子级联激光器的可调带宽的方法，另外这种方法从根本上来说它是激光调谐技术的一种新型理论，因此它也适合于其他有关激光调谐的新兴学科。
“从19世纪70年代太赫兹刚开始发展的时候，人们就期望能找到高功率、可调谐和小型化的太赫兹源，但是迄今为止这还是第一个具有实际意义的这种辐射源。”，Caltech（加利福尼亚理工学院）的NASA喷气推进实验室亚毫米波先进技术研究小组负责人Peter Siegel这样评价到，“Hu对这项工作所倾注的精力和他所倡导的开创性的理念以及克服艰难万阻的毅力值得他赢得所有人的称赞和尊重。最后他真正的实现了不可思议的突破。”
对一般的半导体激光器进行调谐通常只需要改变谐振腔长度，要是不需要宽的调谐范围那么有时候也可以通过加热或者冷却的方法来实现。Hu比较了调节吉他音质的两种方法，一种是直接用手指按琴弦来改变长度，通过这种方法可以调节吉他的音高；另外一种方法就是把可调螺钉拧紧来改变它的紧绷度。但是采用这两种方法对太赫兹量子级联激光器都没有什么好的改善效果。第三种方法就是改变琴弦的直径，因为在吉他上低音弦要比高音弦厚些。那么Hu的方法通俗的来说就是改变光束的直径。
在空间中传播的光可以看做是波，在它遭遇到物理对象之前起伏不定的波动着，但是当相同的光束被限制在，比如说光纤或者小巧的QCL中，它所呈现出的电磁场模式被称作“横向模式”。横模就像是一列波与先前的波相垂直的情况一样，除非由于它远离光束而使得波动频率降低而最终消失，事实上，它的波动消失的如此之快以至于可以简单的认为仅仅是中心在光束上的并垂直于光束的一列波的波动。
新的调谐技术需要一种叫做有线激光器的特殊类型的量子级联激光器。这里横模的波长也也就是前面说的仅有的那一个大的波动的宽度将大于激光自身的横向宽度。用另外一种物质来无限接近激光使得横模发生畸变就可以依次改变激发光的波长。在Hu和他的同事们的实验研究中他们发现，金属块会缩短激光的波长，而硅可以延长激光的波长。同时发现改变物体与光束的接近程度可以改变漂移范围 。
太赫兹量子级联激光器的最大的缺点就是必须用液氮冷却到很低的温度，但是QCL发明人之一，来自于苏黎世瑞士联邦理工学院的Jerome Faist说道：“虽然要实现室温下的这种太赫兹级联激光器还有很多的工作要做但是并不是说没有可能。”Siegel进一步补充说道：“鉴于Hu的这种调谐技术，我不认为温度会是它发展和应用的问题。”
Hu同时指出，他的这项技术还可以应用于超小规模传感技术的微激光器方面。通常可见光激光器的尺寸不能小于它所产生的激光的波长。但是研究人员围绕这一基本的限制，通过一种叫做等离子振子的虚拟粒子找到了解决方法，这就像是一列波穿过一个电子云区。一些新型的等离子体振子激光器也可以通过控制横模来达到调谐的目的。
在Hu他们的试验中，他们采用的是一个机械杆来控制金属或者硅从单一方向分别的接近量子级联激光器，但是他们还设计了并且正在建造一种基于电控的微机电器件来控制金属和硅从不同的方向接近激光器，以此来实现激光器从短波长到长波长的精确的连续的可调谐。
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