日本理化研究所的研究人员已经开发出一种手持设备，可以有效地利用太赫兹电磁频谱的“x射线”波段，而不会产生有害辐射。通过优化某些技术和使用特定材料，他们显著提高了太赫兹波功率输出，并使设备小型化。该技术有望应用于各种领域，包括无损成像和量子研究，目前正在进行工业合作。
使用新的手掌大小的设备，日本理研所的研究人员最终可能会利用太赫兹的电磁频谱来有效地“x射线”物体，而不使用有害的ionizing辐射。
无数的技术——从智能手机和电视到詹姆斯·韦伯太空望远镜上的红外仪器，再到使用微波的高速无线通信设备——都在利用电磁频谱的某些部分。
但是在常用的微波和红外光之间，有一个被忽视的区域，叫做太赫兹波段。太赫兹波有许多令人兴奋的潜在用途，尤其是因为它们可以像x射线一样被用来透视或透视材料内部。然而，与x射线不同的是，太赫兹波不会产生有害的电离辐射。
但是太赫兹技术到目前为止一直萎靡不振，因为很难使微波或可见光技术适应太赫兹范围内的有用尺寸和功率输出。
一种由Hiroaki Minamide和他的团队发明的装置，它能有效地将红外辐射转化为太赫兹波。它可以在太赫兹波段的整个范围内产生太赫兹辐射。图片来源:?2023 RIKEN
例如，产生太赫兹波的一种方法是开发能够产生更高频率、超短波长的微波的电子设备。但这很困难，部分原因是这些设备需要高度优化的参数来产生更高的电气性能，这已被证明是具有挑战性的。
另一种策略是利用一种被称为非线性晶体的材料，通过转换较短、频率较高的红外光波来产生太赫兹波。
在RIKEN高级光子学中心，我们正在探索第二种策略——通过转换红外激光器的输出产生太赫兹波。传统上，这种方法需要巨大的激光器来产生足够强大的太赫兹波，以满足大多数实际应用。但这限制了太赫兹技术在实际应用中的应用——在实际应用中，用于现场分析的便携式设备要有价值得多。
在我领导的太赫兹光子学研究团队中，我们希望开发出手掌大小、功能强大的太赫兹波源，用于工业和基础研究。我们最近在这个目标上取得了巨大的进步，并且正在进行多个工业合作。
巴掌大小的设备
我们专注于使用铌酸锂，这是一种非线性晶体，当近红外激光照射时，会产生一束太赫兹波。当我在2010年担任该团队的领导时，尽管经过多年的工作，用这种方法产生足够强大的太赫兹波是不可能的。
2011年，我们的校园所在的日本仙台发生大地震后，我们不得不停止了几个月的实验室研究。在那段时间里，我想起了之前一个引起我注意的实验的结果，并且，我发现了一个令人兴奋的可能的前进道路的暗示。
当时，我们使用了脉冲持续时间在纳秒级的近红外激光器。结果表明，当使用较短的亚纳秒激光脉冲时，太赫兹波的产生作为输入激光脉冲的函数发生了改变。我想知道为什么会这样。
然后，我发现了1993年的一篇论文[1]，该论文报道了激光脉冲持续时间对非线性晶体的影响。这项分析可见光的研究表明，使用更短的脉冲可以减少布里渊散射的光散射效应。我想知道，通过减少激光脉冲的持续时间，我们是否可以最小化铌酸锂晶体的布里渊散射。这可能使我们能够将更多的激光转换成太赫兹波，并增加功率输出。
注意间隔:太赫兹间隔夹在电磁波谱上的微波和红外辐射之间，直到现在技术上还没有充分利用。像x射线一样，太赫兹波有穿透物质的能力。但由于太赫兹波的频率(因此能量)比x射线低得多，所以它们不会像电离辐射那样对健康造成同样的风险。图片来源:?2023 RIKEN
当我们回到实验室测试这个理论时，我们对结果感到惊讶。使用亚纳秒激光脉冲，我们可以摆脱布里渊散射，将太赫兹波功率输出提高6个数量级，从200毫瓦提高到100千瓦[2]。我们终于从一个只有一米见方的设备中获得了强大的辐射，比以前的太赫兹设备小得多，它们占据了整个房间。但当我们向工业界展示这个设备时，他们告诉我们，对于实际应用来说，它仍然太大了。
为了进一步小型化我们的太赫兹波源，我们将之前使用的大块铌酸锂晶体锭替换为具有人工极化调制微观结构的薄铌酸锂晶体，该晶体被称为周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体。PPLN晶体通常用于可见光区域，由于其较高的光转换效率，使我们能够开发手持设备。
在我们的PPLN研究之初，没有已知的方法可以有效地使用PPLN晶体产生太赫兹波。当我们进行自己的实验时，我们最初对PPLN晶体的行为感到非常困惑。我们没有看到太赫兹波，只是一束意想不到的光束，从晶体中产生。
在仔细分析了这种光的特性后，我们最终意识到太赫兹波正在产生，但方向出乎意料。光与PPLN的偏振调制结构之间的相互作用导致在晶体后部产生太赫兹波。当我们把探测器移到它后面时，我们发现了太赫兹波[3]。我们最终可以做出一个手掌大小的原型机，具有高转换效率和足够的功率。
值得注意的是，我们还发现，只需旋转晶体，我们就可以调整产生的太赫兹波的频率[4]。我们的设备可以完全覆盖关键的亚太赫兹频谱区域，这对于非破坏性成像应用尤为重要。
量子飞跃
我们的研究是基于成熟的光子和激光技术，利用非线性光学效应实现光波和太赫兹波之间的光子转换。我们利用光注入降低阈值并稳定输出功率，实现了后向太赫兹波参数振荡中的级联振荡，在0.3太赫兹频率下实现了200瓦的太赫兹峰值输出功率;在后向光量子转换过程中将太赫兹波转换为光波;并且成功地探测到了大约50阿焦耳的超弱太赫兹波，其灵敏度是4开尔文辐射热计的1000倍。这些结果提供了基于太赫兹到光量子光子转换的新量子研究。我们最近的结果是基于将量子理论纳入我们的工作。我们未来的工作将探索量子纠缠——一个量子粒子神秘地反映另一个遥远的量子粒子——以提高太赫兹探测器的灵敏度。
此外，我们的高度小型化，高功率太赫兹波系统与紧凑，强大的光子激光器的最新发展相辅相成。我们的设备使用一种新型微芯片激光器，可以产生亚纳秒速度和高功率的远红外激光脉冲。
我们现在正处于工业合作成为我们工作关键部分的阶段。我们的设备产生的强次太赫兹辐射非常适合成像和分析工作。我们正在与专门从事电子、光学和光子学的日本公司进行联合研究，如理光、Topcon、三菱电机和滨松光子学，以开发无损检测应用和太赫兹波光谱设备。
为了展示我们的技术在安全方面的潜力，我们组装了一个太赫兹成像设备的原型。通过它，我们展示了可以发射塑料子弹的塑料枪，当隐藏在凹凸不平的玻璃后面时，可以清楚地发现它，玻璃会散射很多光线。我们也可以清楚地想象一把剪刀藏在一个厚厚的皮包里。
太赫兹波也可以揭示物质的化学成分，由于特征的“指纹”吸收模式。例如，肉眼看起来相同的不同无色液体，如煤油和丙酮，可以很容易地通过这种方法识别出来。因此，太赫兹波正在考虑的应用范围从机场安检扫描仪到历史艺术品的分析。
工业涂料和外部涂层也可以进行分析，从新车到药片等各种各样的东西，而且不像目前的方法那样具有破坏性。在未来，我们可以把我们的设备安装在机器人上，让它们沿着工业管道爬行，检查腐蚀情况，或者安装在无人机上，检查输电塔的油漆。
这些和其他用途可以让我们更好地了解材料如何在原位相互作用和降解。如果我们能够使用非破坏性技术更好地了解这些问题，我们就可以更容易地实时调整生产过程，以提高效率，并制作补丁以延长结构的使用寿命。经济和环境效益应该是指数级的。
参考文献:Gregory W. Faris, Leonard E. Jusinski和A. Peet Hickman撰写的“玻璃和晶体中的高分辨率受激布里因增益光谱”，1993年4月1日，美国光学学会杂志B. DOI:10.1364/ job .10.000587“室温下基于非线性波长转换的千瓦峰值太赫兹波产生和亚飞焦耳太赫兹波脉冲检测”，由Hiroaki Minamide, Shin 'ichiro Hayashi, Koji Nawata, Takunori Taira, juni -ichi Shikata和Kodo Kawase, 2013年12月19日，红外，毫米波，和太赫兹波。“可调谐后向太赫兹波参量振荡”由Kouji Nawata, Yu Tokizane, Yuma Takida和Hiroaki Minamide, 2019年1月24日，科学报告。DOI: 10.1038/s41598-018-37068-7Minamide, H. et al. in 2021年会议上的激光和电光(CLEO) (IEEE, 2021)。
