在使用新型掌上设备的情况下，理化学研究所的研究人员或许最终成功地利用了电磁波谱中的太赫兹频段，以无需使用有害的电离辐射的方式来有效地“透视”物体。
无数种技术——从智能手机和电视，到詹姆斯·韦伯太空望远镜上的红外仪器，再到利用微波的高速无线电信设备——都利用了电磁波谱的各个部分。
但是在常用的微波和红外线之间，有一个被忽视的区域，称为太赫兹波段。太赫兹波具有许多令人兴奋的潜在用途，最重要的是它们可以像X射线一样穿透或看到材料内部。然而，与X射线不同的是，太赫兹波不会释放有害的电离辐射。
然而，太赫兹技术迄今为止一直受限，因为将微波或可见光技术调整到实用尺寸和功率输出的太赫兹范围内一直是困难的。
例如，一种产生太赫兹波的方法是开发能够产生更高频率、超短波长微波的电子设备。但是，这在某种程度上很困难，因为这些设备需要高度优化的参数来产生更大的电性能，这一点已经被证明是具有挑战性的。
另一种策略是通过使用被称为非线性晶体的材料，转换较短、较高频率的红外光波，产生太赫兹波。
在理化学研究所先进光子中心，我们正在探索第二种方法——通过将红外激光的输出转化为太赫兹波。传统上，这种方法需要庞大的激光器才能产生足够强大的太赫兹波以满足多数实际应用的要求。然而，这限制了太赫兹技术在实际应用中的推广，而在现场分析的便携装置则显得更加宝贵。
在我领导的太赫兹光子学研究团队中，我们希望开发出掌上可携带且强大的太赫兹波源，以应用于工业和基础研究领域。最近，我们在这一目标上取得了重大突破，并且正在进行多个工业合作项目。
掌上尺寸的设备
我们专注于使用锂铌酸盐，一种非线性晶体，在近红外激光照射下能产生太赫兹波束。当我于2010年接手团队领导之时，尽管经过多年的努力，使用这种方法产生足够强大的太赫兹波束仍然是不可能的。
在2011年，当我们所在的校园发生了一场重大地震，影响到日本仙台地区时，我们不得不暂停了几个月的实验室研究。在那段时间里，我想起了之前一次引起我注意的实验结果，同时也找到了一个可能前进之路的令人激动的线索。
那个时候，我们使用的是纳秒级脉冲的近红外激光。结果显示，当使用更短的亚纳秒脉冲激光时，与输入激光脉冲成正比的太赫兹波产生区间发生了变化。我不禁好奇，这是为什么呢？
我随后发现了一篇1993年的论文[1]，报告了激光脉冲持续时间对非线性晶体的影响。这项研究主要分析了可见光，结果表明使用更短的脉冲可以减小一种光散射效应，即布里渊散射。我想知道，通过缩短我们的激光脉冲持续时间，是否可以最小化锂铌酸盐晶体中的布里渊散射。这可能使我们能够将更多的激光光量转换成太赫兹波并增加功率输出。
当我们回到实验室并测试这个理论时，结果让我们感到惊讶。通过使用亚纳秒激光脉冲，我们成功避免了布里渊散射，从而将我们的太赫兹波功率输出提高了六个数量级，从200毫瓦增加到100千瓦[2]。我们终于从一个仅一平方米的装置中获得了强大的辐射功率，远比之前那些占据整个房间的太赫兹设备要小得多。然而，当我们向工业界展示这个装置时，他们告诉我们，它对于实际应用来说仍然太大了。
为了进一步微型化我们的太赫兹波源，我们将之前使用的大块铌酸锂晶体棒替换为了具有人工极化调制微结构的薄铌酸锂晶体，这被称为周期极化锂酸锂晶体（PPLN晶体）。在可见光区域通常被使用的PPLN晶体使我们能够开发出一个手持装置，因为它具有更高的光转换效率。
在我们进行PPLN（周期极化锂酸铌）研究的起初，没有已知的方法可以高效地利用PPLN晶体产生太赫兹波。随着我们继续自己的实验，最初我们对PPLN晶体的行为感到非常困惑。我们并未观察到太赫兹波，而是从晶体中产生了一束意想不到的光束。
经过仔细分析这种光的特性后，我们最终意识到太赫兹波正在产生，但却是在一个意想不到的方向上。光与PPLN的极化调制结构之间的相互作用引起了晶体后部的太赫兹波的生成。当我们将探测器移至其后方时，我们发现了太赫兹波[3]。我们终于成功制作出了一个掌上大小的原型，具备高转换效率和足够的功率。
令人惊讶的是，我们还发现仅通过旋转晶体，我们就能调整所产生的太赫兹波的频率[4]。我们的装置能够完全覆盖关键的亚太赫兹频谱区域，尤其对于非破坏性成像应用尤为重要。
量子飞跃
我们的研究基于成熟的光子学和激光技术，利用非线性光学效应在光波和太赫兹波之间实现光子转换。我们通过光注入降低阈值并稳定输出功率，实现了太赫兹波级联振荡，峰值太赫兹输出功率达到200瓦，频率为0.3太赫兹；在光学量子反向转换过程中将太赫兹波转换为光波；成功探测到约为50阿托焦耳的超弱太赫兹波，其敏感性比4开尔文玻耳计量计高1000倍。这些结果为基于太赫兹到光的量子光子转换提供了新的量子研究基础。我们最近的研究成果基于量子理论的融入。而我们未来的工作将探索量子纠缠，即一个量子粒子神秘地与远处的另一个量子粒子相互影响，以提高太赫兹探测器的灵敏度。
此外，我们高度微型化、高功率的太赫兹波系统得到了紧凑、强大的光子激光技术的最新发展的补充。我们的设备采用一种新型微芯片激光器，在亚纳秒速度和高功率下产生远红外激光脉冲。
我们现在已经到了工业合作成为我们工作关键部分的阶段。我们的设备能够产生强大的亚太赫兹辐射，非常适用于成像和分析工作。我们正在与日本的电子、光学和光子学专业公司进行联合研究，例如理光、拓普康、三菱电机和滨松光子学，以开发无损检测应用和太赫兹波谱设备。
为了展示我们的技术在安全领域的潜力，我们已经组装了一个原型太赫兹成像设备。通过它，我们展示了当一个能够发射塑料子弹的塑料枪被隐藏在坑坑洼洼的能强烈散射光线的玻璃后面时，仍然能够清晰地检测到。我们还能够清晰地成像一个藏在厚皮革包内的一把剪刀。
太赫兹波还可以通过其特征的“指纹”吸收模式揭示物质的化学组成。例如，对于肉眼难以区分的无色液体，如煤油和丙酮，通过这种方法可以轻松地进行识别。因此，太赫兹波的应用范围从机场安全扫描仪扩展到历史艺术品的分析。
工业涂料和外部涂层也可以进行分析，涵盖范围广泛，包括新车和药片等物品，而且是无损的，不像现有的方法。在未来，我们可以将设备安装在机器人上，沿着工业管道爬行，检测腐蚀情况，或者安装在无人机上，检查输电塔上的涂料。
这些和其他应用可以帮助我们更好地理解材料在实际环境中的相互作用和退化过程。如果我们能够利用非破坏性技术更好地理解这些问题，我们就可以更轻松地在实时中调整生产过程，提高效率，并进行修补以延长结构的使用寿命。由此带来的经济和环境效益将是指数级的提升。
