从非传统激光束到一种更强大的成像波

想象这样的场景：在一个公共场所发现了一个可疑的包裹。警方被叫了过来并清理该区域。被迫从远距离进行工作而无法靠近里面，他们担心最坏的情况，并决定引爆这个包裹。

罗切斯特大学的新研究可能有助于当局在不太遥远的未来解决这种情况的时候能够得到更好的信息，从而更安全地完成任务。通过使用一种被称为太赫兹（THz）的能够对障碍物后面的物体进行检测和/或成像的特殊类型电磁波，该团队表明，他们可以在远达100英尺的距离外检测到太赫兹波。由这些研究人员创造的太赫兹波比传统手段所产生的太赫兹波要强五倍以上，这使得他们相信，太赫兹波——以及由此产生的隐藏物体的图像——未来可以在更远的距离被检测到。

该研究项目由光学博士研究生Kang Liu，光学研究所主任和M. Parker Givens光学名誉教授Xi-Cheng Zhang，以及由Tzortzakis Stelios领导的希腊团队主持进行。该研究结果已发表在《光学》杂志上。

从一个艾里光束产生一个更强大的太赫兹波。

“在我们的项目中非常规激光束的使用超出了科学的好奇心，”Zhang说。“其使得从一个遥远的距离远程检测化学，生物和爆炸性材料成为可能。”

太赫兹波，在电磁波谱上位于微波和红外波段之间，可以穿透某些对于可见光来说是不透明的固体物体，并产生隐藏在视野外的物体的图像。不像传统的X射线，这种波不会破坏人体组织。所有这一切，使太赫兹波成为一种适合国土安全部和其他执法机构使用的很有前途的工具。但在太赫兹波可以被广泛使用之前，还需要克服一些障碍，包括如何使它们在更大的距离上更加有效。

真实的茶壶，空的茶壶，半满的茶壶。

其中一个缺点是，这种波会被空气中的水分子吸收，在距离较远的时候会被显著减弱，使它们通常变得无效。一个解决方案是在目标附近产生太赫兹波，使它们只需要穿过一个较短的距离。波的强度也同样重要，正如Liu指出的，因为“太赫兹波越强，它能做的工作就越多。”

他们的研究成果的关键是使用一个特别的异乎寻常的激光光束——被称为环形艾里光束——来产生太赫兹波，其产生的太赫兹波的脉冲能量比用标准高斯光束产生的太赫兹波要强5.3倍。

普通光束在传播的过程中会逐渐展开，但环形艾里光束的情况却不一样，其在传播过程中会从所有点向中心汇聚。

为了启动这个过程，Liu将激光束导向一个空间光调制器（SLM），形成环形艾里光束。就如名称所示的那样，该光束是一个空心的圆形光束。随着光束的传播，该光束向中心汇聚而不是向外展开，从而产生一个强烈激发的自由电子区域——称为等离子体。反过来，这些电子又产生太赫兹波，其能够穿透附近的目标并反射图像或提供隐藏的物质的重要化学信息。

“当目标是一个可疑的爆炸装置时，在一个安全的距离来完成工作是非常重要的，”Liu说。“我们相信，我们的方法可以通过提供一个远程产生太赫兹波的更强大和更灵活的方式来帮助太赫兹从超过100英尺的距离外进行遥感。

该调制器允许研究人员改变环形艾里光束的大小和微调产生的等离子体的尺寸。根据Liu的展望，下一步将是操纵环形艾里光束以在更远的距离产生更强大的太赫兹波。