光有许多不同的频率，其中只有很小一部分能被人类看见。在手机使用的不可见低频无线电波与红外光所对应的高频之间，电磁波谱中有一段相当宽的区域，称为太赫兹波，有时也称亚毫米波。利用这些波可能催生从医学成像到天文学等众多领域的新应用，但事实证明，在实验室中产生和研究太赫兹波颇具挑战。如今，加州理工学院的化学家研制出一种装置，能够以极高精度在宽广的光谱范围内产生并探测太赫兹波，使其成为测量太赫兹波的无与伦比的工具。
这种新装置是所谓频率梳的一个例子。频率梳利用超快脉冲激光器（或称振荡器），产生数千个独特的辐射频率，并像梳齿一样均匀分布在整个光谱范围内。科学家随后可以像使用尺子那样使用它们，将梳齿作为刻度线，从而极其精确地测量光频率。首批频率梳于20世纪90年代研发，其创造者（JILA的John Hall，以及马克斯·普朗克量子光学研究所和慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的Theordor Hánsch）因此获得了2005年诺贝尔物理学奖。这些起源于可见光谱区域的频率梳彻底改变了科学家测量光的方式，例如促成了当今最精确计时器——光学原子钟——的研发。
加州理工学院团队将市售激光器和光学元件与定制电子设备结合起来，把这项技术扩展至太赫兹领域，制成了一种在光谱覆盖范围和精度方面实现前所未有组合的太赫兹频率梳。其数千个“梳齿”均匀分布在太赫兹光谱区域的大部分范围内（0.15-2.4 THz），让科学家能够同时测量样品在所有这些频率下的吸收情况。
这项研究发表于期刊 《Physical Review Letters》 的网络版，并将刊登于4月24日刊。论文第一作者是研究生、美国国家科学基金会研究员Ian Finneran，他在加州理工学院宇宙化学与行星科学教授兼化学教授 Geoffrey A. Blake的实验室工作。
Blake解释了这种新装置的用途，并将其与常见的收音机调谐器作比较。“对于无线电波，大多数调谐器一次只能让你锁定并收听一个电台，也就是一个频率，”他说。“而采用我们的太赫兹方法，我们可以一次分离和处理超过10,000个频率。在不久的将来，我们希望把这个数字提高到超过100,000。”
这很重要，因为光谱中的太赫兹区域蕴含着大量信息。宇宙中温度高于约10开尔文（-263摄氏度）的一切都会发出太赫兹辐射。即使在这些极低温度下，分子也能在空间中旋转，从而在太赫兹波段产生独特的指纹。使用加州理工学院亚毫米天文台、阿塔卡马大型毫米波阵列和赫歇尔空间天文台等望远镜的天文学家，正在太赫兹频率下搜寻恒星孕育区和行星形成盘，寻找这类化学指纹，以尝试确定其中存在、因而可能为行星系统所用的分子种类。但即使只观察天空中的一个小区域，发现25种或更多不同分子的特征也并不罕见。
要想在如此纷杂的太赫兹信号中明确识别特定分子，科学家首先需要准确测量各种分子对应的化学指纹。这既需要精确的太赫兹波源，也需要灵敏的探测器，而太赫兹频率梳非常适合在实验室中进行这类测量。
“用太赫兹光仰望太空时，我们基本上会看到一片由各种分子翻滚运动产生的谱线森林，”Finneran说。“要梳理并理解这些谱线很困难，因为在实验室里，你必须一次测一个点、研究一个分子，逐步穿行于这片森林。这可能需要数周时间，而且你得使用许多不同的仪器。我们研发的这种太赫兹频率梳，能够一次分析整片森林。”
装置产生数万个均匀间隔的频率后，波会穿过样品——论文中，研究人员以水蒸气为例。随后，仪器测量穿过样品的光，以及分子在梳上每个齿对应频率下吸收的光。如果探测到的某个梳齿变短，就说明样品吸收了该特定太赫兹波；如果它保持在基准高度，则说明样品没有吸收该频率的波。
“由于我们能以约九位数的精度确切知道尺子上每个刻度的位置，因此可以把它用作诊断工具，极其精确地测定这些频率，”Finneran说。“观测太空时，你要确保自己拥有实验室测得的这类极其准确的数据。”
除了用于识别太空中的分子这一天体化学应用外，太赫兹频率梳也有助于研究分子之间的基本相互作用。“太赫兹波独特之处在于，它确实是唯一一种直接观察方式，不仅可以观察对生命至关重要的大分子内部振动，还能观察不同分子之间的振动，而后者决定着水等液体的行为，”Blake说。
论文的其他共同作者 《跨越十年的高精度太赫兹频率梳》 包括加州理工学院现就读研究生Jacob Good、P. Brandon Carroll和Marco Allodi，以及近期毕业的研究生Daniel Holland（PhD ’14）。这项研究由美国国家科学基金会资助。
本文由世界经济论坛与 加州理工学院合作发布。本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Kimm Fesenmaier是加州理工学院高级科学撰稿人。
图片：图中展示了一束亮绿色激光。路透社。
