在微波和可見光之間的電磁中間地帶中，存在太赫茲輻射和“ T射線視覺”的希望。

太赫茲波的頻率高于微波，而低于紅外線和可見光。太赫茲波可以被大多數材料阻擋，太赫茲波可以像微波一樣直接通過。如果將它們制成激光，太赫茲波可能會啟用“ T射線視覺”，并具有穿透衣服，書皮和其他薄材料的能力。這種技術可以產生比微波更清晰的高分辨率圖像，并且比X射線安全得多。

例如，我們在機場安全線和醫學成像設施中看不到T射線機的原因是，產生太赫茲輻射需要非常大，笨重的裝置或設備，它們只能以單個頻率產生太赫茲輻射，這在一定程度上不是很有用。需要各種各樣的頻率才能穿透各種材料。

現在，麻省理工學院，哈佛大學和美國陸軍的研究人員已經構建了一種緊湊的設備，其大小相當于鞋盒的大小，可以產生太赫茲激光，其頻率可以在很寬的范圍內進行調諧。該設備由現成的商業零件制造而成，旨在通過旋轉一氧化二氮或笑氣中的分子能量來產生太赫茲波。

麻省理工學院數學教授史蒂芬·約翰遜(Steven Johnson)表示，除了T射線視覺之外，太赫茲波還可以用作一種無線通信形式，例如以比雷達更高的帶寬傳輸信息，并且可以跨科學家進行跨距離的傳輸。現在可以使用組的設備進行調音了。

“通過調整太赫茲頻率，您可以選擇波在被吸收之前在空氣中傳播的距離(從幾米到幾千米)，從而可以精確控制誰可以“聽到”您的太赫茲通信或“看到”您的太赫茲雷達。”約翰遜說。“就像改變收音機的轉盤一樣，輕松調諧太赫茲源的能力對于在無線通信，雷達和光譜學領域開拓新的應用至關重要。”

約翰遜和他的同事在科學雜志上發表了他們的結果。共同作者包括麻省理工學院的博士后Fan Wang，以及哈佛大學的Paul Chevalier，Arman Armizhan，Marco Piccardo和Federico Capasso，以及美國陸軍作戰能力發展司令部航空和導彈中心的Henry Everitt。

QCL抽運的THz激光的藝術視圖，顯示了QCL光束(紅色)和THz光束(藍色)，以及腔體內旋轉的N2O(笑氣)分子。圖片來源：哈佛SEAS的Arman Amirzhan

分子呼吸室

自1970年代以來，科學家一直在嘗試使用分子氣體激光器產生太赫茲波，這種裝置是將大功率的紅外激光器射入裝有氣體(通常為氟化甲基)的大管中，該分子的振動和旋轉最終都會發生反應。旋轉的分子可以從一個能級躍遷到下一個能級，其差作為一種剩余能量以太赫茲范圍內的光子形式發射。隨著更多的光子在空腔中累積，它們會產生太赫茲激光。

研究人員說，不可靠的理論模型阻礙了改進這些氣體激光器的設計。在高氣壓下的小腔中，模型預測，超過一定壓力，分子將太“蠕變”而無法旋轉并發射太赫茲波。部分由于這個原因，太赫茲氣體激光器通常使用米長的腔體和大型紅外激光器。

然而，在1980年代，埃弗里特(Everitt)發現他能夠在實驗室中使用比傳統設備小得多的氣體激光產生太赫茲波，壓力遠高于模型所能達到的壓力。這種差異從未得到充分的解釋，太赫茲氣體激光器的研究被其他方法所取代。

幾年前，埃弗里特(Everitt)在約翰遜與麻省理工學院的士兵納米技術研究所合作開展其他工作時向約翰遜提及了這一理論奧秘。Johnson和Wang與Everitt一起接受了挑戰，并最終制定了一種新的數學理論來描述分子氣體激光腔中氣體的行為。該理論還成功地解釋了即使從很小的高壓腔中也可以發射太赫茲波。

約翰遜說，盡管氣體分子可以響應紅外泵而以多種頻率和轉速振動，但先前的理論沒有考慮這些振動狀態中的許多振動狀態，而是假設少數振動是產生太赫茲波的最終原因。如果腔體太小，以前的理論表明，響應于入射紅外激光而振動的分子會相互更頻繁地碰撞，從而釋放能量，而不是進一步積累以旋轉并產生太赫茲。

取而代之的是，新模型使用一個新的計算技巧使一個大問題在便攜式計算機上可以解決，從而在單個腔內跟蹤了數百萬個分子組中成千上萬個相關的振動和旋轉狀態。然后分析了這些分子如何對入射的紅外光做出反應，具體取決于它們在腔體內的位置和方向。

約翰遜說：“我們發現，當您將人們拋出的所有其他振動狀態都包括在內時，它們會為您提供緩沖。” “在更簡單的模型中，分子正在旋轉，但是當它們撞向其他分子時，它們將失去一切。一旦包含所有其他狀態，這種情況就不再發生了。這些碰撞會將能量轉移到其他振動狀態，并且您將擁有更多的呼吸空間，以保持旋轉并不斷產生太赫茲波。”

笑，撥了

一旦團隊發現他們的新模型能夠準確預測埃弗里特幾十年前的觀測結果，他們便與哈佛大學Capasso小組合作，通過將模型與新氣體和新型紅外激光相結合，設計出新型緊湊型太赫茲發生器。

對于紅外光源，研究人員使用了量子級聯激光器或QCL，這是一種新型的緊湊且可調諧的激光器。

約翰遜說：“您可以轉動撥盤，它改變輸入激光的頻率，希望我們可以用它來改變太赫茲頻率。”

研究人員與QCL開發的先驅Capasso合作，后者提供的激光產生的功率范圍據其理論預測可與筆大小的腔體(傳統腔體大小的約1,000倍)一起使用)。然后研究人員尋找一種可以旋轉的氣體。

該小組搜索了各種氣體庫，以識別已知會響應紅外光而以某種方式旋轉，最終降落在一氧化二氮或笑氣中的那些氣體，作為他們實驗的理想且容易獲得的候選氣體。

他們訂購了實驗室級的一氧化二氮，然后將其泵入筆型腔中。當他們從QCL發出紅外光到腔中時，他們發現它們可以產生太赫茲激光。當他們調諧QCL時，太赫茲波的頻率也在很大范圍內變化。

Wang說：“這些演示證實了太赫茲分子激光源的普遍概念，當通過連續可調的QCL泵浦時，它可以在整個旋轉狀態上進行廣泛的調諧。”

自從這些最初的實驗以來，研究人員已經擴展了他們的數學模型，使其包括多種其他氣體分子，例如一氧化碳和氨，從而為科學家提供了具有不同頻率和調諧范圍的不同太赫茲生成選項的菜單，以及與QCL匹配每種氣體。該小組的理論工具還使科學家能夠根據不同的應用量身定制型腔設計。現在，隨著商業發展的到來，他們正在朝著更聚焦的光束和更高的功率前進。

約翰遜說，科學家們可以參考該小組的數學模型，使用其他氣體和實驗參數來設計新型，緊湊且可調的太赫茲激光器。

約翰遜說：“這些氣體激光器長期以來一直被視為舊技術，人們認為它們是巨大的，低功率的，不可調諧的東西，因此他們將目光投向了其他太赫茲光源。” “現在我們說的是它們體積小，可調且效率更高。您可以將其安裝在背包中，也可以安裝在車輛中以進行無線通信或高分辨率成像。因為您不想在汽車中使用回旋加速器”。