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以及使用微波的高速无线电信设备，无数技术都利用了电磁频谱的某些部分。但在常用的微波和红外光之间，有一个被忽视的区域，称为太赫兹波段。 太赫兹波具有许多令人兴奋的潜在用途，尤其是因为它们可以像 X 射线一样用于透视材料或内部。 然而，与 X 射线不同的是，太赫兹波不会产生破坏性的电离辐射。

【资料图】

但太赫兹技术迄今为止一直处于停滞状态，因为很难将微波或可见光技术以有用的尺寸和功率输出应用于太赫兹范围。

由 Hiroaki Minamide 和他的团队创建的设备，可有效地将红外辐射转换为太赫兹波。 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产生更高频率、超短波长微波的电气设备。 但这在一定程度上是困难的，因为这些设备需要高度优化的参数来产生更好的电气性能，这已被证明具有挑战性。

另一种策略是使用非线性晶体材料，通过转换更短、更高频率的红外光波来产生太赫兹波。

理化学研究所先进光子学中心正在探索第二种策略——通过转换红外激光器的输出来产生太赫兹波。 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的需要。 但这限制了太赫兹技术在实际应用中的应用——在这些应用中，用于原位分析的便携式设备将更有价值。最近，它们在实现这一目标方面取得了巨大进展，并正在进行多项行业合作。

铌酸锂是一种非线性晶体，在受到近红外激光照射时会产生太赫兹波束，但尽管经过多年的工作，仍无法使用这种方法产生足够强大的太赫兹波。

研究人员发现了 1993 年的一篇论文，其中描述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，使用较短的脉冲可以减少称为布里渊散射的光散射效应。 通过减少激光脉冲持续时间，有可能可以最大限度地减少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为太赫兹波并增加功率输出。

注意间隙：太赫兹间隙夹在电磁频谱上的微波和红外辐射之间，迄今为止在技术中尚未得到充分利用。 与 X 射线一样，太赫兹波具有穿透材料的能力。 但由于太赫兹波的频率（以及能量）比 X 射线低得多，因此它们不会像电离辐射那样对健康造成同样的风险。

最终研究人员证实使用亚纳秒激光脉冲，可以摆脱布里渊散射，将太赫兹波功率输出提高六个数量级——从 200 毫瓦到 100 千瓦，从一个只有一平方米的设备中获得了强大的发射功率，比以前充满整个房间的太赫兹设备小得多，但这对于实际应用来说仍然太大。

为了进一步小型化我们的太赫兹波源，理化学研究所用具有人工偏振调制微结构的薄铌酸锂晶体取代了之前使用的大块铌酸锂晶体锭，这种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，由于其更高的光转换效率，能够用来开发手持设备。

在 PPLN 研究之初，还没有已知的方法可以使用 PPLN 晶体有效地产生太赫兹波，研究人员最初对 PPLN 晶体的行为感到非常困惑。 我们没有看到太赫兹波，只是从晶体中产生了意想不到的光束。

在仔细分析这种光的特性后，他们最终意识到太赫兹波正在产生，但方向却出乎意料。 光与 PPLN 偏振调制结构之间的相互作用导致晶体后部产生太赫兹波。 当将探测器移到它后面时，我们发现了太赫兹波，这意味着终于可以做出一个巴掌大小的原型机，转换效率高，功率充足。只需旋转晶体就可以调整产生的太赫兹波的频率，新的扫描设备可以完全覆盖光谱的关键亚太赫兹区域，这对于无损成像应用尤其重要。

研究基于成熟的光子和激光技术，通过非线性光学效应实现光波和太赫兹波之间的光子转换。 我们通过光注入降低阈值并稳定输出功率，实现了后向太赫兹波参量振荡的级联振荡，在0.3太赫兹频率下实现了200瓦的峰值太赫兹输出功率； 在向后光学量子转换过程中将太赫兹波转换为光波； 并成功探测到约50阿托焦耳的超弱太赫兹波，其灵敏度比4开尔文测辐射热计灵敏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。 最新的结果基于将量子理论纳入我们的工作，未来的工作将探索量子纠缠——一个量子粒子神秘地镜像另一个遥远的粒子——以提高太赫兹探测器的灵敏度。

高度小型化、高功率太赫兹波系统得到了紧凑、强大光子激光器最新发展的补充，新研发的扫描设备使用新型微芯片激光器，能够以亚纳秒速度和高功率产生远红外激光脉冲，产生强烈的亚太赫兹发射，非常适合成像和分析工作。 理化学研究所正在与专门从事电子、光学和光子学的日本公司（例如理光、拓普康、三菱电机和滨松光子学）进行联合研究，以开发无损检测应用和太赫兹波光谱设备。

研究人员组装了一个太赫兹成像设备原型：一把可以发射塑料子弹的塑料枪，当隐藏在散射大量光线的凹凸不平的玻璃后面时，可以被清楚地检测到，还可以清楚地看到一把藏在厚皮包里的剪刀。

由于特征性的“指纹”吸收模式，太赫兹波还可以揭示物质的化学成分。 例如，用肉眼看起来相同的不同无色液体（例如煤油和丙酮）可以通过这种方法轻松识别。 因此，太赫兹波的应用范围从机场安全扫描仪到历史艺术品的分析。

与现有方法不同，还可以对工业油漆和外涂层进行分析，包括新车和药片等各种物质，而且是非破坏性的。 未来还可以将设备安装在机器人上，沿着工业管道爬行以检查腐蚀情况，或者安装在无人机上以检查输电塔上的油漆。

这些和其他用途可以让我们更好地了解材料如何相互作用和原位降解。例如，如果能够使用非破坏性技术更好地理解这些问题，就可以更轻松地实时调整生产流程，以提高效率并进行修补以延长结构的使用寿命。经济效益和环境效益应该是指数级的。