虹科案例|NASA利用太赫茲技術(shù)探測月球上的水源

對于NASA探索地球的天然衛(wèi)星——月球，以及太陽系內(nèi)外的其他天氣的首要任務(wù)，是探究這些天體上是否存在水，因為水是生命存在必不可少的條件。在以往的實(shí)驗中，證實(shí)了月球上存在少量的水：2022年，中國科學(xué)院報告稱，中國的月球著陸器于2年通過機(jī)載光譜分析首次實(shí)時、現(xiàn)場明確確認(rèn)月球巖石和土壤中的水信號。

實(shí)際探測中，大多數(shù)技術(shù)不能區(qū)分水、游離氫離子和羥基，像水這樣的含氫化合物會發(fā)射太赫茲頻率范圍內(nèi)（居于微波與紅外之間）的光子，所以通常使用的寬帶探測器無法精準(zhǔn)檢測。

Goddard航天中心的工程師Berhanu Bulcha博士說，一種稱為外差光譜儀的儀器可以放大特定頻率，以明確識別和定位月球上的水源。顧名思義，光譜儀檢測光譜或光的波長，以揭示光接觸過的物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，大多數(shù)光譜儀傾向于在寬光譜范圍工作。外差光譜儀將參考激光源與入射光相結(jié)合，測量激光源和組合波長之間的差異可提供光譜子帶寬之間的準(zhǔn)確讀數(shù)，就像太赫茲等帶寬內(nèi)細(xì)微差異的顯微鏡一樣，從而分辨出是否真正存在水，實(shí)現(xiàn)相關(guān)天體環(huán)境的檢測。

實(shí)現(xiàn)這樣的外差光譜儀需要一個穩(wěn)定的，高功率的太赫茲激光器。“現(xiàn)有激光技術(shù)的問題在于，”布爾查博士說，“沒有一種材料具有產(chǎn)生太赫茲波的正確特性。

傳統(tǒng)激光器通過激發(fā)原子殼內(nèi)的電子來產(chǎn)生光，然后在躍遷時發(fā)射單個光子，或返回到其靜止能級，不同的原子根據(jù)激發(fā)一個電子所需的固定能量產(chǎn)生不同頻率的光。然而，這種方法難以產(chǎn)生位于紅外和微波之間的太赫茲波（稱為太赫茲間隙）。

半導(dǎo)體激光器原理示意圖

電學(xué)方法：電磁振蕩器（如產(chǎn)生無線電或微波頻率的電磁振蕩器）通過使用一系列放大器和倍頻器將信號擴(kuò)展到太赫茲范圍來產(chǎn)生低功率太赫茲脈沖。然而，這個過程消耗大量的電能，并且用于放大和乘以脈沖的材料效率有限，這意味著它們在高頻太赫茲頻率時會損失功率。

虹科基于肖特基二極管倍頻器的太赫茲源（75-600G），功率最高350mW

光學(xué)方法：從太赫茲間隙的另一側(cè)，光學(xué)激光器將能量泵入氣體以產(chǎn)生光子。然而，高功率太赫茲波段激光器體積大，功耗大，不適合質(zhì)量和功率有限的太空探索目的，特別是小型衛(wèi)星的應(yīng)用。同時，當(dāng)光學(xué)激光器向太赫茲范圍推進(jìn)時，脈沖的功率也會下降。

CO2太赫茲激光器，輸出頻率0.25-7.5THz

為了填補(bǔ)這一空白，Bulcha博士的團(tuán)隊正在開發(fā)量子級聯(lián)激光器，通過利用一些獨(dú)特的量子尺度物理學(xué)，利用只有幾個原子厚的材料，從中產(chǎn)生光子。與標(biāo)準(zhǔn)二極管激光器不同，發(fā)射頻率由所用材料之間的能帶隙差決定，QCL發(fā)射頻率由工程帶結(jié)構(gòu)（量子阱的大小和寬度）決定，每個通過結(jié)構(gòu)的電子都會發(fā)射N太赫茲光子，其中N是激光中的周期數(shù)。

太赫茲QCL原理示意圖

在量子物理學(xué)中，薄層材料增加了光子可以隧穿到下一層的機(jī)會。一旦到達(dá)相鄰量子阱的對應(yīng)位置，它就會激發(fā)額外的光子。使用具有80~100層的發(fā)生器材料，總厚度不到10~15微米，該團(tuán)隊的量子級聯(lián)激光器產(chǎn)生了一連串太赫茲能量光子。這種級聯(lián)消耗較少的電壓來產(chǎn)生穩(wěn)定的高功率光。

Goddard航天中心開發(fā)的小型QCL太赫茲源

這項技術(shù)的一個缺點(diǎn)是它的光束以大角度擴(kuò)散，在短距離內(nèi)迅速消散。利用Goddard內(nèi)部研發(fā)（IRAD）資助的創(chuàng)新技術(shù)，Bulcha博士和他的團(tuán)隊將激光與薄光學(xué)天線集成在波導(dǎo)上，以收緊光束。集成的激光器和波導(dǎo)單元在不到四分之一的封裝中將這種耗散降低了 50%。

激光器的低尺寸和功耗使其能夠安裝在1U尺寸的Cubeset中，大約是一個茶壺的大小，包括光譜儀硬件，處理器和電源。它還可以為手持設(shè)備供電，供未來的月球、火星和更遠(yuǎn)的星球的探索使用。

虹科太赫茲源方案

虹科提供基于量子級聯(lián)激光器的多波段、高功率的高頻太赫茲源，以及基于倍頻器的低頻亞太赫茲源，助力天文、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、工業(yè)檢測等多領(lǐng)域的科研研究。

虹科TeraCascade2000太赫茲源

基于量子級聯(lián)激光（QCL）技術(shù)的高頻高功率多波段太赫茲源?？杉啥噙_(dá)6個QCL芯片，頻率分布于2-5THz。輸出功率可達(dá)毫瓦量級，能夠穿透各種生物組織。集成的QCL驅(qū)動器可提供即時的電子控制以快速切換工作頻率。配置全新設(shè)計的半永久真空系統(tǒng)，結(jié)合斯特林冷卻機(jī)實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，無需額外提供制冷劑。緊湊設(shè)計，即插即用，可便利集成于實(shí)驗室的太赫茲成像系統(tǒng)中，提供高強(qiáng)度的太赫茲發(fā)射波。

虹科TeraCascade100太赫茲源

基于量子級聯(lián)激光（QCL）技術(shù)的高頻太赫茲源。單頻率連續(xù)波輸出，功率達(dá)百微瓦，采用液氮制冷，是具有成本效益的QCL源，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)太赫茲研究。

虹科TeraSchottky亞太赫茲源

基于肖特基二極管倍頻器原理的亞太赫茲源（＜1THz）。基頻為75GHz，施加倍頻器可拓展至150, 300和600Hz。輸出功率高達(dá)百毫瓦，在穿透力上具有明顯優(yōu)勢。高可調(diào)諧性，具有＞ 12 %的可調(diào)頻寬，滿足多種應(yīng)用的需求。高度集成，即插即用，可遠(yuǎn)程操控。

審核編輯黃宇