该装置或可实现“T射线视觉”，并改善无线通信。
在微波与可见光之间的电磁波段中，存在太赫兹辐射，它带来了“T射线视觉”的前景。
太赫兹波的频率高于微波，低于红外光和可见光。大多数材料会阻挡光学光，而太赫兹波与微波类似，能够直接穿透。若将其制成激光，太赫兹波或可实现“T射线视觉”，能够透视衣物、书皮及其他薄型材料。这种技术所生成的图像，可比微波更清晰、分辨率更高，并且远比X射线安全。
例如，机场安检通道和医学影像设施中之所以没有太赫兹辐射设备，是因为产生太赫兹辐射需要体积庞大、结构笨重的装置，其中许多需在超低温下运行，并且只能产生单一频率的太赫兹辐射。而要穿透各种材料，则需要多种频率，因此这类装置用途不大。
如今，来自麻省理工学院、哈佛大学和美国陆军的研究人员研制出一种紧凑型装置，其大小与一个鞋盒相当，可在室温下运行，产生频率可在宽范围内调谐的太赫兹激光。该装置由商用现成零部件组装而成，其设计原理是通过提升一氧化二氮（即人们更常称之为笑气）分子的能量，从而产生太赫兹波。
麻省理工学院数学教授史蒂文·约翰逊表示，除了“T射线视觉”之外，太赫兹波还可用作一种无线通信方式，其带宽高于雷达等设备，并且可借助该团队的装置，在科学家现已能够调节的距离上进行传输。
“通过调谐太赫兹频率，你可以选择太赫兹波在空气中被吸收前能够传播的距离，从几米到几千米不等，从而精确控制谁能“听到”你的太赫兹通信，或“看到”你的太赫兹雷达，”约翰逊说，“正如调节收音机的旋钮一样，能够轻松调谐太赫兹源，对于开拓无线通信、雷达和光谱学的新应用至关重要。”
约翰逊及其同事已于今日在期刊《科学》上发表了研究成果。合著者包括麻省理工学院博士后研究员王帆，以及哈佛大学的保罗·谢瓦利耶、阿尔曼·阿米尔扎恩、马可·皮卡尔多和费德里科·卡帕索，还有美国陆军作战能力发展司令部航空与导弹中心的亨利·埃弗里特。
分子的呼吸空间
自20世纪70年代以来，科学家一直在尝试利用分子气体激光器产生太赫兹波。这种装置是将高功率红外激光射入一个充满气体（通常为氟甲烷）的大型管中，气体分子因此发生振动，并最终转动。转动的分子可在不同能级之间跃迁，两能级之差会以某种剩余能量的形式释放出来，即太赫兹范围内的光子。随着腔体中光子不断积累，便形成了太赫兹激光。
研究人员表示，由于理论模型不够可靠，这些气体激光器的设计改进一直受阻。在高气压的小型腔体中，模型预测，超过某一压力后，分子会因过于“拥挤”而无法自旋并发射太赫兹波。部分出于这一原因，太赫兹气体激光器通常采用长达数米的腔体和大型红外激光器。
然而，在20世纪80年代，埃弗里特发现，他在实验室中使用一种比传统装置小得多的气体激光器，便能够在远高于模型所认为可能的压力下产生太赫兹波。这一差异始终未能得到充分解释，太赫兹气体激光的研究也随之被搁置，研究者转而倾向于其他方法。
几年前，埃弗里特在与约翰逊合作开展麻省理工学院“士兵纳米技术研究所”的其他项目时，向约翰逊提及了这一理论谜题。埃弗里特、约翰逊和王帆共同接受了这一挑战，最终提出了一种新的数学理论，用以描述分子气体激光腔体中气体的行为。该理论还成功解释了即使在极小的高压腔体中，太赫兹波仍可被发射的原因。
约翰逊表示，在红外泵浦作用下，气体分子可以以多种频率振动，并以多种转动速率运动，而以往的理论忽略了其中许多振动状态，并假定只有少数几种振动最终对产生太赫兹波起决定作用。若腔体过小，以往的理论认为，受入射红外激光激发而振动的分子会更频繁地相互碰撞，从而释放能量，而不是继续积累能量以实现自旋并产生太赫兹波。
与此相反，新模型追踪了单个腔体内数百万组分子中数千种相关的振动与转动状态，并运用新的计算技巧，使这一庞大问题能够在笔记本电脑上求解。随后，模型根据分子在腔体中的位置和方向，分析了这些分子将如何响应入射红外光。
“我们发现，当你纳入以往被人们忽略的所有其他振动状态时，它们会为分子提供一层缓冲，”约翰逊说，“在较简单的模型中，分子在旋转，但一旦与其他分子碰撞，它们便会失去全部能量。纳入所有这些其他状态后，这种情况便不再发生。这些碰撞可以将能量转移到其他振动状态，从而为分子提供更多的“呼吸空间”，使其能够继续旋转并持续产生太赫兹波。”
笑气，加大功率
该团队发现，其新模型能够准确预测埃弗里特数十年前的观测结果后，便与哈佛大学卡帕索的团队合作，将该模型与新型气体及新型红外激光器相结合，设计出一种新型紧凑型太赫兹发生器。
在红外光源方面，研究人员采用了量子级联激光器（QCL），这是一种较新型的激光器，结构紧凑且可调谐。
“你可以转动旋钮，改变输入激光的频率，我们希望借此改变输出太赫兹波的频率，”约翰逊说。
研究人员与量子级联激光器开发领域的先驱卡帕索合作，后者提供了一种激光器，其输出功率范围经该团队理论预测，适用于一个笔的大小的腔体（约为传统腔体的千分之一）。随后，研究人员开始寻找可用于激发自旋的气体。
该团队在气体数据库中进行筛选，以找出已知会在红外光照射下按特定方式转动的气体，最终选定一氧化二氮，即笑气，作为其实验的理想且易于获取的候选气体。
他们订购了实验室级别的一氧化二氮，并将其注入笔大小的腔体中。当研究人员将量子级联激光器发出的红外光射入腔体后，发现可以产生太赫兹激光。随着量子级联激光器的调谐，太赫兹波的频率也在较宽范围内随之变化。
“这些演示证实了一种通用概念，即太赫兹分子激光源在由连续可调谐量子级联激光器泵浦时，可在其全部转动状态范围内实现宽范围调谐，”王帆说。
在这些初步实验之后，研究人员已将其数学模型扩展至包括其他多种气体分子，例如一氧化碳和氨，从而为科学家提供了一系列频率和调谐范围各不相同的太赫兹产生方案，每种气体均配有相应匹配的量子级联激光器。该团队的理论工具还使科学家能够根据不同应用调整腔体设计。目前，他们正朝着更聚焦的光束和更高功率的方向推进，商业化开发也已在望。
约翰逊表示，科学家可以参考该团队的数学模型，利用其他气体和实验参数，设计新型紧凑且可调谐的太赫兹激光器。
“这些气体激光器长期以来被视为旧技术，人们认为它们体积庞大、功率低且不可调谐，因此转而寻求其他太赫兹源，”约翰逊说，“而现在我们表明，它们可以做得很小、可调谐，并且效率高得多。你可以把它装进背包，或装在车辆中，用于无线通信或高分辨率成像。因为你不会想在汽车里装回旋加速器。”
本研究部分得到了美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会的支持。
