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音乐启发太赫兹
发布时间:2020-10-18 19:52:31 阅读:151

来源:德国雷根斯堡大学;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

强光脉冲(白色部分)可将饱和吸收器(金光栅)变成一面近乎完美的镜子。
背景照片:量子级联激光器放大图(银色区域的中心部分)。
来源:于尔根•拉布(Juergen Raab),德国雷根斯堡大学(Universitaet Regensburg)
本图片仅用于本研究的报道。

    一个由德国、意大利和英国科学家组成的国际研究小组已成功研发出一种太赫兹光谱范围的关键光子学组件。通过将半导体纳米结构中的电子共振与微谐振器的光子场混合,他们设计出了一种染色镜,这种染色镜较以往更容易褪色,也可使太赫兹激光器速度超快。他们的研究结果发表在最新一期的《自然通讯》(Nature Communications)上。

    太赫兹辐射——通常被称为T射线——它标志着光子学研究最后的前沿之一。由于处于微波电子学和红外光学之间的光谱空白地带,T射线具有巨大的应用潜力,但是目前,生成T射线的成本很高。太赫兹的广泛应用范围首先从机场的全身扫描仪,到快速气体传感再到超快通信。如果超短脉冲可以在所谓的量子级联激光器中直接产生,那么还会有更多应用领域和想法可以逐步进入市场。量子级联激光器是一种特殊类型的电动紧凑型太赫兹激光器。这些光源通常在连续波模式下工作,但人们普遍预测,如果在激光中加入一个关键的光子学元件,即所谓的饱和吸收器,它们可能会变成脉冲操作。

    饱和吸收器就像一面雾蒙蒙的镜子,如果入射光很强很亮,它就可以暂时性变得很清晰。同样道理,如果激光内部的所有能量都集中在一个短脉冲中,它将很容易使吸收器饱和,并且比连续波光束损失更小。在光学中,这些类似元素都是现成的,而在太赫兹领域,只存在没用的强烈辐射,仅采用量子级联激光器,完全不可能实现。来自德国雷根斯堡大学的Miriam S. Vitiello, Pisa, Edmund Linfield, Leeds和Rupert Huber加入了研究团队,开发出一种新型的,即便在较低饱和强度的情况下也能工作的饱和吸收器。

    他们这一创新想法其实是受到了音乐领域一个著名策略的启发:共鸣器。施坦威钢琴拥有独特音质的秘诀是什么?这个秘诀与其说是在琴弦上,不如说是在钢琴的共振腔体上。这是对声音的精准定义,以及对一个强击键的动态共鸣。“我们基本上就是把这个想法转化为太赫兹光学,”该论文的第一作者Jurgen Raab说到。Miriam Vitiello的团队设计了一个由金镜和金光栅组成的微结构组件,它们相互协同就如太赫兹辐射的共鸣腔。这些共振可与电子产生强烈耦合,电子可以在两个量子态之间跳跃。埃德蒙•林菲尔德(Edmund Linfield)团队设计和培育了用于定义两个量子态的半导体纳米结构原子精确序列。

    支点:电子和太赫兹微腔之间的强耦合导致半电子半太赫兹光子的激发。这种情况不仅会形成共振的“音调”,还会极大地改变系统对“强击键”(对应于强烈的太赫兹脉冲)的反应方式。研究小组将这一暂新的太赫兹施坦威钢琴方法用于了终极测试。在雷根斯堡大学一个专门设计的装置中,他们将超短太赫兹脉冲聚焦在饱和吸收器上,并研发了一种可以拍摄极端慢动作的摄像机,在飞秒——十亿分之一秒的百万分之一的时间尺度上对其饱和动态进行追踪。

    惊人的结果:吸收器不仅比单独的电子跃迁更容易饱和,大约高出一个数量级。它的饱和速度也比太赫兹脉冲的单一振荡周期要快,而且谐振器的“音调”在饱和过程中变化得非常好,因此在施加强太赫兹脉冲时,基本上没有吸收残留。这些都是最好的饱和吸收基因。Miriam Vitiello对此深信不疑:“现在我们已经拥有了建立带有饱和吸收器超快太赫兹量子级联激光器的所有组件”。

    这样的光源可以极大地扩展太赫兹光子的研究范围。超短太赫兹脉冲的频率将超过现代计算机频率的惊人1000倍,它极可能成为革命性下一代通信链路的骨干中流砥柱。体积紧凑的量子级联激光器可以发射超短的T射线,不但可以促进化学分析,也可能让大量的诊断和医学应用成为可能。目前取得的成果,将是实现今后大胆目标的重要里程碑。

 
 

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