Исследователи генерации терагерцового лазера с веселящим газом

В электромагнитных золотую середину между микроволнами и видимым светом скрывается терагерцового излучения, и обещание «Т-виденье».

Терагерцовые волны имеют частоты выше, чем микроволновая печь и ниже, чем инфракрасный и видимый свет. Где оптический свет заблокирован большинство материалов, терагерцовые волны могут проходить прямо через, похожи на микроволновые печи. Если они были вылеплены к лазерам, терагерцовой волны могли бы включить «Т-виденье», с возможностью видеть сквозь одежды, обложек книг, и других тонких материалов. Такая технология может производить четкие, с высоким разрешением изображения, чем микроволновая печь и быть намного безопаснее, чем рентген.

Почему мы не видим, Т-Рэй, например, Службы безопасности аэропорта линий и медицинской визуализации объектов, которые производят терагерцового излучения требует очень больших, громоздких установок или устройств, которые производят терагерцового излучения на одной частоте-не очень полезно, учитывая, что в широком диапазоне частот необходимо, чтобы проникать в различные материалы.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и американской армии создали компактное устройство, размером с обувную коробку, которая производит терагерцового лазера, частота которого они могут настраиваться в широком диапазоне. Аппарат построен из коммерческих, готовых деталей и предназначено для генерирования терагерцевых волн на спиннинг энергию молекул закиси азота, или, как его чаще называют, «веселящий газ».

Стивен Джонсон, профессор математики в Массачусетском технологическом институте, говорит, что в дополнение к Т-виденье, терагерцовых волн может быть использован в качестве одной из форм беспроводной связи, несущих информацию по более высокой пропускной способностью, чем радар, например, и делает это на расстоянии, что ученые могут теперь настраивать с помощью группы устройств.

«На тюнинг терагерцовой частоты, вы можете выбрать, как далеко волны могут распространяться через воздух, прежде чем они будут поглощены, от метров до километров, что дает точный контроль над тем, кто может «услышать» ваше терагерцового связи или «видеть» свой терагерцевый радар,» Джонсон говорит. «Гораздо как поменять циферблат на вашем радио, возможность легко настраивать терагерцового источника имеет решающее значение для открытия новых применений в беспроводной связи, радиолокации, спектроскопии.»

Джонсон и его коллеги опубликовали свои результаты в журнале Science. Соавторы включают вентилятор постдока в MIT Ван, вместе с Полом Шевалье, Armizhan Арман Марко Пиккардо, и Федерико Капассо из Гарвардского университета, Генри Эверитт армии США боевые возможности развития командной авиации и ракетного центра.

Молекулярная передышку

С 1970-х годов, ученые экспериментировали с генерации терагерцового волн, используя молекулярные газовые лазеры — сетапы, в которых мощный инфракрасный лазерный выстрел на большой трубе, наполненной газом (обычно фтористого метила), молекулы которых реагируют на вибрации и в конечном итоге вращается. Вращающиеся молекулы могут перейти с одного энергетического уровня на следующий, отличие которых посылается как своего рода остатки энергии в виде фотона в терагерцовом диапазоне. Как больше фотонов в полости, они производят терагерцового лазера.

Совершенствование конструкции газовых лазеров сдерживается неблагонадежных теоретических моделей, говорят исследователи. В небольших полостей при высоких давлениях газа, модели предсказали, что после определенного давления, молекулы будет слишком «тесно», чтобы спина и излучают терагерцовые волны. Отчасти по этой причине, генерация терагерцового излучения газовых лазеров обычно используют метрового полостей и больших инфракрасных лазеров.

Однако, в 1980-х годах, Эверитт обнаружили, что он был способен производить терагерцовых волн в своей лаборатории с помощью газового лазера, который был намного меньше, чем традиционные устройства, при давлении намного выше, чем модели, говорит, было невозможно. Это несоответствие не было полностью объяснено, и работать на терагерцовых лазеров газа, что на второй план в пользу других подходов.

Несколько лет назад, Эверитт упомянул эту теоретическую загадкой для Джонсона, когда эти два сотрудничали на другую работу в рамках Института МТИ солдат нанотехнологий. Вместе с Эверитт, Джонсон и Ван принял вызов, и в конечном итоге разработали новую математическую теорию для описания поведения газа в молекулярном резонатора лазера газа. Теория успешно объяснила, как терагерцовых волн может быть выброшен, даже от очень маленького, высокого давления полости.

Джонсон говорит, что, хотя молекулы газа могут вибрировать на различных частотах и оборотах в ответ на инфракрасной насос, предыдущие теории дисконтированных многие из этих колебательных состояний и вместо того, чтобы предположить, что горстка вибрации, что в конечном счете имело значение в создании терагерцовых волн. Если полость слишком мала, предыдущие теории предположил, что молекулы вибрировать в ответ на входящий инфракрасный лазер чаще сталкиваются друг с другом, выпуская свою энергию, а не наращивать его и дальше крутиться и производить терагерц.

Вместо этого, новая модель гусеничного тысячи соответствующих колебательных и вращательных состояниях среди миллионов групп молекул в пределах одной полости, используя новые вычислительные приемы, чтобы сделать такой большой ничтожная проблема на ноутбуке. Затем он проанализировал, как эти молекулы реагируют на входящие инфракрасного света, в зависимости от их положения и направления полости.

«Мы обнаружили, что, когда вы включаете все эти другие колебательные состояния, что люди уже выбрасывать, они дадут вам буфер», — говорит Джонсон. «В более простых моделях, молекулы вращаются, но когда они бахнут в другие молекулы они теряют все. Как только вы включите все эти и другие государства, что больше не повторится. Эти столкновения могут передавать энергию на других колебательных состояний, и даст вам больше пространства, чтобы сохранить вращение и терагерцовых волн».

Смеясь, набрал

После того, как команда обнаружили, что их новая модель точно предсказал, что Эверитт наблюдается десятилетий назад, они сотрудничали с группой Капассо в Гарварде разработать новый тип компактный генератор терагерцовых комбинируя модель с новыми газами и новый тип инфракрасного лазера.

Для инфракрасного источника, исследователи использовали квантовый каскадный лазер, или QCL — более новый тип лазера, который является компактным и также настраивать.

«Вы можете повернуть циферблат, и это изменяет частоту входного сигнала лазера, и надежда была, что мы могли бы использовать это, чтобы изменить частоту терагерцового выходит», — говорит Джонсон.

Исследователи объединились с Капассо, пионер в развитии QCLs, которые представили лазер, который произвел диапазон мощности, что их теория предсказывала бы работать с полостью размер пера (примерно 1/1,000 размер обычного полости). Затем исследователи смотрели на газ для раскрутки.

Команда перерыл библиотеки газов для выявления тех, которые были известны, чтобы повернуть определенным образом в ответ на инфракрасное излучение, в конечном итоге посадка на закись азота, или веселящий газ, как идеальное и доступное кандидат для эксперимента.

Они заказали лабораторно-класс закись азота, которую они перекачивают в перо размера полости. Когда они послали инфракрасный свет от QCL в полость, они обнаружили, что они могут производить терагерцового лазера. Как они настроены QCL, частота терагерцовой волны смещаться, в широком диапазоне.

«Эти демонстрации подтверждают универсальная концепция терагерцового молекулярного лазерного источника, который может быть широко перестраиваемых по всей вращательных состояниях при накачке плавно перестраиваемым QCL», — говорит Ван.

Начиная с этих начальных экспериментов, исследователи расширили их математические модели включают в себя множество других газовых молекул, таких как окись углерода и аммиака, обеспечивая ученых с меню разных терагерцовой генерации вариантов с разными частотами и настройка диапазонов, в паре с QCL подобраны для каждого газа. Теоретические инструменты группы также позволяют ученым адаптировать дизайн полости для различных приложений. Они сейчас подталкивают к более сфокусированных Пучков и высших сил, с коммерческой разработки на горизонте.

Джонсон говорит, что ученые могут обратиться к математической модели группа по разработке новых, компактных и перестраиваемый полупроводниковый лазер, с помощью других газов и экспериментальных параметров.

«Эти газовые лазеры были уже давно рассматриваются как старые технологии, и люди предполагали, это были огромные, с низким энергопотреблением, nontunable вещи, чтобы они посмотрели на другие источники терагерцового диапазона», — говорит Джонсон. «Сейчас мы говорим, что они могут быть маленькими, перестраиваемых, и гораздо более эффективно. Вы могли поместиться в вашем рюкзаке, или в вашем автомобиле для беспроводной связи или передачи изображений с высоким разрешением. Потому что вы не хотите циклотрона в вашем автомобиле».

Это исследование было частично поддержана исследовательским управлением армии США и Национального научного фонда.

сделать разницу: спонсорские возможности