从实验室: 液体作为难以捉摸的高功率太赫兹辐射源

在历史的大部分时间里，光一直是人类意识到的唯一自然辐射。直到19世纪和20世纪，通过一系列的发现，人们才知道光没有什么特别之处，自然界中存在着许多电磁波，而我们通常所知道的“光”是其中的一部分。事实上，人类所看到的是这种非常广泛的电磁波谱中的一小部分，这种电磁波谱的波长从一端的几万亿分之一米到另一端的数千米不等。

根据它们的波长，这些辐射表现出在某些情况下可能非常有用的特征特性。例如，X射线由于可以穿透人体皮肤而不能穿透骨骼，因此在医学成像中得到了广泛的应用。在过去的近100年里，科学家们已经掌握了从伽马射线和X射线到微波和无线电波等不同用途的电磁波谱的几乎每一点的开发。

然而，这一频谱的很小一部分藏在微波和光学红外光区之间，对应于0.1至约3太赫兹（1太赫兹=1兆赫兹）的频率范围，至今仍基本上未被利用。太赫兹频率范围内的辐射已知有许多可以很好地利用的特性。例如，它也可以穿透人体皮肤，并可以用于身体成像，但与X射线不同，这些对人体组织不太有害，这使它们非常适合用于医疗领域和机场等安全扫描仪。太赫兹辐射对通信也很好。此外，它还可以用于许多研究活动。

问题是，科学家们到目前为止还不能开发出一种可靠的太赫兹辐射源，这种辐射源可以在需要时产生这些波，就像他们可以用X射线或其他辐射一样。电磁波谱中的太赫兹区，实际上通常被称为太赫兹间隙。

大约三十年前，科学家们研究了一种利用硅和砷化镓等半导体产生太赫兹辐射的新方法。一个几十飞秒的可见激光脉冲（1飞秒是万亿分之一秒）被用来激发这个半导体层，产生脉冲电流。这种电流被视为发射太赫兹辐射。然而，这些辐射的能量非常低，只有几皮焦耳（万亿分之一焦耳）或更少。对他们无能为力。他们需要有更多的权力来发挥任何有意义的作用。

十年后，人们尝试通过激发空气来产生太赫兹辐射。同样，飞秒激光，但在更高的功率，被用来电离空气分子，产生等离子体，在一定条件下，可以发射太赫兹辐射。这一次，这种辐射携带了几微焦耳的能量，比半导体产生的通量有了很大的改善。

在这段时间里，科学家们还没有尝试用液体产生太赫兹辐射，可能是因为众所周知，液体在太赫兹区域表现出非常强的吸收。因此，即使太赫兹辐射产生了，它也很有可能被重新吸收。

孟买塔塔基础研究所的G Ravindra Kumar教授、Indranuj Dey博士和同事们一直在使用高功率激光在液体中进行一系列非常不同的实验。正是在这些实验过程中，他们决定检验是否真的可以用液体产生太赫兹辐射。他们将液体--使用不同的液体，甚至水--暴露在非常高强度的飞秒激光下。事实上，他们观察到大量太赫兹辐射出来。此外，这些辐射的频率范围非常广，从几太赫兹到大约100太赫兹。如此广谱的太赫兹辐射是以前的任何尝试都没有产生的。这些辐射的能量在60到70微焦耳的范围内，这取决于所使用的液体，这也是对以前实验的一个很大的改进。

TIFR小组检查并重新检查了结果，屏蔽了所有其他辐射，以确认发射的确实是太赫兹。理论模拟被用来解释可能发生的事情。在飞秒激光作用下，液体产生二次辐射，然后与输入激光非线性混合产生太赫兹辐射。

TIFR的结果发表在10月30日的《自然通讯》上，是迄今为止打破太赫兹差距的最好尝试之一。它为利用太赫兹辐射进行各种应用开辟了新的可能性。

研究

一种从液体中产生太赫兹范围内的波的方法，早期没有将液体作为源进行探索，因为人们认为液体会重新吸收辐射。

研究人员：G·拉温德拉·库马尔和他的同事，孟买塔塔基础研究所。