目前，美国科学家在Science上发表了使用气体激光器产生太赫兹（THz）光的研究成果。通过使用量子级联激光器泵浦一氧化二氮（笑气），他们已经可以使用在室温下运行的紧凑型设备产生宽光谱的太赫兹辐射源（Science，doi：10.1126 / science.aay8683）。众所周知，太赫兹辐射的应用包括传感，成像和通信。

量子级联激光（红色）激发并旋转一氧化二氮分子从而产生太赫兹波（绿色）。

太赫兹的应用和局限性

太赫兹辐射位于较低频率的微波与上方的红外波之间的电磁频谱中。它能穿过许多常见的材料（例如衣服，塑料和纸张），却没有电离的能量，因此不会伤害活体组织，这一事实意味着它很可能适合作为扫描技术。同时，它在确定的频率下被某些物质吸收，表明它可用作大气气体传感器。

另外，太赫兹波可以用于无线通信。太赫兹不仅可以提供比低频无线电波更高的带宽，而且还可以利用其相对较短的范围来防止窃听，其中，大气对太赫兹的吸收取决于所使用的频率。

然而，事实证明产生合适的太赫兹源非常困难。目前市场上有许多不同的技术，例如那些增加微波谐波或混合激光器输出的技术，但是每种技术都有其自身的局限性。没有一个在1 THz左右有显著的输出，且许多太赫兹源体积又大又昂贵。

近年来，研究人员已着手利用量子级联激光器（QCL）制作太赫兹源，QCL高，低带隙半导体的交替层产生量子阱，该量子阱迫使电子以特定波长发射一系列光子。这种激光器是基于芯片的，因此可能很小且价格便宜，但需要冷却，效率低下并覆盖的频率范围有限。

利用振荡态

本文的工作将QCL作为泵，而不是激光介质。在这种情况下，激光器由一氧化二氮气体组成，其分子在泵浦时振动并随后进入特定的旋转状态。当分子从一种旋转状态回落到另一种旋转状态时，它们会保留在合适的空腔中，并以激光束的形式发射太赫兹光子。

在过去的几十年中，大型二氧化碳激光器泵浦了几米长的腔。理论模型预测，如果空腔太小而气体的压力太高，则气体分子之间的碰撞将阻止能量积聚，从而不能实现粒子数反转。

美国杜克大学的Henry Everitt在1980年代开发了一个模型，他表明实际上应该可以制造出这种紧凑的分子激光器。但是，该模型仍将二氧化碳激光器用作泵。在理论研究了多年之后，他与马萨诸塞州麻省理工学院的Steven Johnson等合作研究后认为，QCL也有足够功率能实现气体激光器。

根据Johnson的说法，工作的关键在于考虑了先前常常被忽略的分子的振动状态。他解释说，通过限制腔内压力较高时的能量耗散，这些振动提供了更多的空间，使分子保持旋转并不断产生太赫兹波。

使用笑气的激光

基于这种想法，现为美国陆军工作的Everitt与马萨诸塞州哈佛大学的Federico Capasso等人开展了相关研究。Capasso在1990年代在贝尔实验室（Bell Labs）期间发明了QCL，他的团队现在已经使用红外QCL泵浦一根长15厘米，直径5毫米的充气铜管。

研究表明，一氧化二氮产生了激光。更重要的是，他们发现调谐QCL时激光束的频率发生了变化。他们能够在0.25至0.96 THz的频谱范围内产生37条谱线，每条谱线的宽度仅为几千赫兹。他们还使用模型显示，以这种方式泵送的许多其他气体（每种气体都与自己的QCL配对）应产生跨越1 THz以上的激光线。

据Capasso介绍，该设备的性能优于该光谱范围内所有现有的激光源。但是他也指出，在将该技术商业化并准备用于实际应用之前，仍有许多障碍需要克服。他说，其中之一是优化腔体以提高输出功率，以及将气体改为一氧化碳，从而将激光器光谱的范围进一步扩大到几个THz。

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