調(diào)整激光頻率的全新方法使我們更接近機(jī)場掃描儀

　　30多年來，科學(xué)家們一直在努力利用太赫茲輻射的力量。太赫茲光線夾在電磁波譜上的微波和紅外線之間，可以穿透衣服，塑料和人體組織，但它們被認(rèn)為比X射線更安全。由于它們被不同分子吸收到不同程度，它們也可以區(qū)分化學(xué)物質(zhì)：例如，機(jī)場檢查站的太赫茲掃描儀可以確定封閉行李箱中的小瓶是否含有阿司匹林，甲基苯丙胺或爆炸物。

　　但很難找到產(chǎn)生太赫茲射線的實用方法。傳統(tǒng)的氣體激光器可以在合適的頻段工作，但它們很大，價格昂貴且耗電量大。半導(dǎo)體激光器 - 你在DVD播放器中找到的那種 - 體積小而且便宜，但它們很難在有限的光譜范圍內(nèi)輕推：考慮從第一臺CD播放機(jī)的紅外激光器到藍(lán)光的時間長度藍(lán)光光盤激光器。

　　1994年，貝爾實驗室的研究人員發(fā)明了一種稱為量子級聯(lián)激光器的新型小型但功能強(qiáng)大的半導(dǎo)體激光器，并且在2002年，它被證明能夠以太赫茲頻率工作。但是，準(zhǔn)確評估物體的化學(xué)成分需要將其暴露在連續(xù)的頻率范圍內(nèi)，這些頻率被吸收到不同程度。

　　在最近一期“自然光子學(xué)”雜志上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學(xué)院電子研究實驗室電子工程教授清湖及其同事描述了調(diào)整太赫茲量子級聯(lián)激光器的第一種實用方法。更重要的是，該方法是激光調(diào)諧的一種全新方法，可能對其他新興技術(shù)產(chǎn)生影響。

　　“從20世紀(jì)70年代太赫茲發(fā)展的最初階段開始，人們一直在努力制造緊湊且可調(diào)諧的[高功率]光源，到目前為止，這確實是這種光源的第一個例子，”Peter Siegel說。誰是加州理工學(xué)院NASA噴氣推進(jìn)實驗室亞毫米波先進(jìn)技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人�！氨M管有許多挫折和來自其他團(tuán)體的競爭，但他所投入的所有工作以及他開創(chuàng)并推動的突破性創(chuàng)意值得贊揚。最后，他真的取得了驚人的突破�！�

　　調(diào)諧普通半導(dǎo)體激光器通常需要改變其發(fā)光腔的長度; 偶爾，如果激光器不需要寬頻率范圍，加熱或冷卻它將起作用。Hu比較了這兩種方法，通過按下它來改變吉他弦的音高 - 改變它的長度 - 或擰緊它的調(diào)音弦 - 改變它的張力。然而，這兩種方法都不適用于太赫茲量子級聯(lián)激光器。

　　然而，改變吉他弦音高的第三種方法是改變其直徑：吉他上的低音弦比高音調(diào)的弦更厚。粗略地說，胡的調(diào)音技術(shù)是改變光束的直徑。

　　穿過太空的光束可以被認(rèn)為是波浪，無限地上下起伏，直到它撞擊物理物體。但是當(dāng)相同的光束被限制時 - 例如，光纖或長而薄的量子級聯(lián)激光器 - 它呈現(xiàn)出稱為“橫向模式”的電磁場模式。橫向模式有點像另一種波浪。垂直于第一個，除了它很快消失 - 它的波動迅速變小 - 因為它離光束越來越遠(yuǎn)。事實上，它的起伏很快就消失了，它可以被認(rèn)為是一個垂直于光束但以光束為中心的大波動。

　　胡的新調(diào)諧技術(shù)需要一種特殊類型的量子級聯(lián)激光器，稱為線激光器，橫向模式的波長 - 一個大波動的寬度 - 實際上大于激光器本身的寬度。使與激光器足夠接近的另一種材料塊使橫向模式變形，這反過來改變了發(fā)射光的波長。在實驗中，胡和他的同事發(fā)現(xiàn)金屬塊縮短了光的波長，而硅塊則延長了它。改變塊的接近度也會改變移位的程度。

　　太赫茲量子級聯(lián)激光器有一個很大的缺點：它們需要用液氮冷卻到非常低的溫度。但蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的杰羅姆法斯特是量子級聯(lián)激光器的發(fā)明者之一，他表示雖然室溫版本是一項困難且長期的項目，但“實際上并沒有告訴我們這是不可能的”。西格爾補(bǔ)充說，借助胡的調(diào)音技術(shù)，“我不明白為什么激光器在什么溫度下操作都很重要�！�

　　胡指出，他的技術(shù)也可以應(yīng)用于一種新型微型激光器，可用于極其精細(xì)的傳感。通常，可見光激光不能比使用的光的波長窄，但是研究人員通過使用稱為等離子體的虛擬粒子(類似于穿過電子云的波)已經(jīng)找到了繞這個基本極限的方法。一些新型等離子體激光器也可以通過操縱它們的橫向模式來調(diào)節(jié)。

　　在其實驗中，Hu的小組使用機(jī)械杠桿從一個方向?qū)⒁粔K硅或金屬塊接近量子級聯(lián)激光器。但是他們已經(jīng)設(shè)計并且現(xiàn)在正在制造芯片，這些芯片將使用電子控制的微機(jī)電設(shè)備將硅和金屬塊從不同方向引入，從而為激光器提供從短波長到長波長的精確連續(xù)調(diào)諧范圍。

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