密歇根大学研发出火柴头大小的太赫兹辐射装置

据麦姆斯咨询报道，美国密歇根大学的物理学家们已经在实验室中研发出能弯曲晶体内的光线以产生同步辐射的装置。该装置大小与火柴头相当，当物理学家在圆形轨道上以接近光速的速度弯曲具有带电粒子的超强光束时，这种弯曲会释放出光点或X射线，称为同步辐射。

密歇根大学的研究者使用他们的装置来弯曲可见光以产生波长在太赫兹范围内的光。其波长范围比可见光的波长范围大得多，但是比微波的波长范围小，而且能穿透衣服。

通常情况下，同步辐射需要通过几个足球场那么大的大型设施产生。不过，密歇根大学研究人员Roberto Merlin和Meredith Henstridge的团队开发出一种通过将细小的金天线印刷在抛光的钽酸锂晶体表面（称为元表面，英文：metasurface）的方式产生同步辐射。密西根大学的研究团队还包括来自普渡大学的研究人员，他们采用穿过天线的激光脉冲光弯曲光线并产生同步辐射。

物理、电气工程和计算机科学系教授Merlin说：“我们不是使用透镜和空间光调制器来进行实验，而是简单地通过将表面与超表面图案化达到类似的目的。为了让光线弯曲，你必须把光束的每个部分‘雕刻’成特定的强度和相位，现在我们采用‘外科手术’来完成。”

密歇根大学电气工程和计算机科学系教授Anthony Grbic，与博士生Carl Pfeiffer一起领导团队开发了元表面。

元表面由大约1000万根微小回旋镖形天线组成。该研究的作者Henstridge说“每根天线都比撞击光的波长小得多。研究人员使用激光产生‘超短’脉冲或光脉冲，仅持续一兆分之一秒。天线阵列使光脉冲沿晶体内的弯曲轨迹加速。”

光脉冲产生电偶极子或正负电荷对的集合。Henstridge解释：“这种电偶极子集合沿着光脉冲的弯曲轨迹加速，导致同步辐射的发射。”Henstridge在密歇根大学获得了博士学位，目前在德国汉堡的马克斯－普朗克研究所攻读结构和动力学博士后。

研究人员开发的装置能产生分布在太赫兹波段不同频率的同步辐射，因为光脉冲只能沿着圆形轨迹的一小部分行进。但是他们希望改进装置，使得光脉冲沿着圆形路径连续旋转，产生单频太赫兹的同步辐射。

科学界常使用单频太赫兹源来研究给定的固体、液体或气体中原子或分子行为。商业领域，太赫兹源被用来扫描隐藏在衣物和包装箱中的物品。药物、爆炸物和有毒气体在太赫兹范围内都有独特的“指纹”，可以通过太赫兹光谱识别。当然，太赫兹的用途不限于安全行业。

Henstridge谈到：“太赫兹辐射的成像功能在生物医学科学领域大有可为。例如，它被用来区分癌组织和健康组织。片上单频太赫兹源，比如像我们开发的这种小型光驱动同步加速器，在所有应用中都有机会取得新进展。”

这项研究发表在《科学》杂志上。来自普渡大学的研究员分别是Vladimir Shalaev、Di Wang和Alexandra Boltasseva。