柔和的太赫兹光 瑞士: 万众瞩目

Editor: Lisa Saller, Lisa Saller

瑞士保罗谢尔研究所(PSI)的研究者利用商业化的相机技术使太赫兹光可视化。这为安全或医疗等领域的应用带来新的机会。

保罗谢尔研究所激光实验室的PSI研究员Christoph Hauri、 Carlo Vicario 和 Mostafa Shalaby(从左至右)在PSI开发的太赫兹激光是目前世界上最强烈的太赫兹光源。
保罗谢尔研究所激光实验室的PSI研究员Christoph Hauri、 Carlo Vicario 和 Mostafa Shalaby(从左至右)在PSI开发的太赫兹激光是目前世界上最强烈的太赫兹光源。
(Photo: Paul Scherrer Institut)

太赫兹光有可能是揭示隐形结构的有效方式。它可轻松地穿透纸、塑料或纺织品,使人们看到这些材料包裹的物体。尽管在生物组织的穿透深度只有几毫米,它有一种特点对医疗诊断来说特别有趣。跟X光不同,它不会损坏组织。

原因在于太赫兹光是由能量相对低的颗粒(光子)组成的。这个特点也使太赫兹光成为科学研究中的重要工具,因为它能在没有触发器留下痕迹的情况下触发过程。它被用于研究磁性数据存储的新材料,太赫兹光的闪烁使科学家把分析的材料磁化,或把光学性能变得如闪电般快速。

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对鲁棒传感器来说太柔和

尽管太赫兹光的低光子能量可能比较方便,它也引起了很多问题,因为目前它只能利用测辐射热仪才能看到它。测辐射热仪不仅昂贵,而且对环境影响也很敏感-尤其是对热。因此手持传感器时手过于靠近它可能会歪曲结果。传感器的图像分辨率相对比较低。

CCD传感器不仅能保证智能手机或视频相机中的锐利图像,也广泛用于科学研究,目前尚不能用于太赫兹光,因为这种光对于鲁棒传感器来说太微弱-它们对它没有反应。

对清晰图像来说强度大

由于在PSI开发的太赫兹激光更加强烈,Christoph Hauri及其团队现在能克服CCD传感器的感应局限。Christoph Hauri解释说,与过去太赫兹激光源不同,在PSI开发的太赫兹激光强度高。

利用实验,研究者能展示商业化的CCD传感器可使人们看到PSI强烈的太赫兹光。这在技术上具有重要的里程碑意义:开展此项实验的Mostafa Shalaby表示:“现在太赫兹光非常强烈,用CCD传感器看到它,我们能得到比测辐射热仪分辨率高25倍的图像。”这是因为CCD拥有比测辐射热仪高五倍的像素。使用CCD传感器具有另一个优势:它对环境影响的敏感可以忽略不计,比如热。

不在黑暗中摸索

强烈的PSI太赫兹光是专为今后在SwissFEL的应用而开发的。现在PSI正建造没有电子的激光器SwissFEL,它将从2016年底起投入使用。它将产生具有激光特性的X射线。利用CCD传感器可以看到太赫兹光,这将带来很多好处,因为太赫兹光将与SwissFEL的X光一起使用。例如,为研究磁性数据存储的新材料,太赫兹激光波将激发被检验材料中磁性的变化。若干飞秒后,利用SwissFEL的X光波,样本将用X光拍照。因此,研究者发现在若干飞秒内样本发生了什么变化。

研究者特别感兴趣的是在实验环境中CCD传感器能使太赫兹光可视化。Hauri强调说:“这使我们在实验过程中记录太赫兹光束准确的空间位置。”而且,CCD传感器的更新速度非常高,能跟得上SwissFEL中实验发生的速度。SwissFEL每秒激发100个X射线,每个光波进行了独立的实验。研究者展示了使太赫兹光可视化在原理上行得通时,他们的目标是进一步开发这种想法。与Mostafa Shalaby开展此项实验的Carlo Vicario表示为某些研究应用改造CCD传感器是有可能的。但研究者也看到应用于研究之外的巨大潜力。CCD传感器既廉价又耐用。在广泛的应用中,将有可销售的足够强度的太赫兹激光器。Hauri相信由于CCD传感器表现更好,而且成本不足测辐射热仪的十分之一,在迅速发展的太赫兹科学中它们将获得稳固的地位。

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