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美国宇航局工程师开发出微型、高功率激光器以在月球上寻找水
发布时间:2022-09-19 21:40:44 阅读:235

来源:Karl B.Hille, 美国宇航局戈达德航天中心;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 刘加腾 编译

这种微型激光器利用只有几十个原子的材料的量子尺度效应,在传统激光器强度衰减的部分光谱中产生高能光束。来源:美国国家航空航天局/Michael Giunto

    戈达德技术利用量子隧穿效应产生高功率太赫兹激光,填补了现有激光技术的空白,使得在月球上寻找水可能会更容易。

    寻找水和其他资源是美国宇航局的一项优先任务,对探索地球的自然卫星和太阳系内外的其他物体至关重要。之前的实验推断并然后证实了月球上存在少量的水。然而,大多数技术无法区分水、自由氢离子和羟基,因为使用的宽带探测器无法区分不同的挥发性物质。

    戈达德的工程师伯哈努•布尔查(Berhanu Bulcha)博士说,一种称为外差光谱仪的仪器可以放大特定频率,从而明确识别和定位月球上的水源。它需要一个稳定的、高功率的太赫兹激光器,该激光器是通过美国宇航局的小型企业创新研究 (SBIR)计划与 Longwave Photonics(光电公司)合作设计的。

   他说:“这种激光器为我们研究这种频谱打开了一扇新的窗口。”“其他任务在月球上发现了水合作用,但这可能表明有羟基或水。如果是水,它从何而来?它是月球形成时固有的,还是后来被彗星撞击而来的?有多少水?我们需要回答这些问题,因为水对生存至关重要,可以用来为进一步的探索制造燃料。”

    顾名思义,光谱仪探测光谱或光的波长,以揭示光接触后物质的化学性质。大多数光谱仪倾向于在光谱的较宽部分工作。外差式仪器接收非常特定的光频率,如红外线或太赫兹。像水这样的含氢化合物会发射太赫兹频率范围内的光子——每秒 2 万亿到 10 万亿次循环,这种频率处于红外线和微波之间。

    外差光谱仪就像显微镜一样,它可以将本地激光源与入射光结合起来,在太赫兹这样的带宽范围内观察细微差别。测量激光光源和组合波长之间的差值可以提供光谱子带宽之间的精确读数。

    传统的激光器通过激发原子外层的电子来产生光,当电子跃迁或返回到静止能级时,电子会发出单个光子。根据激发一个电子所需的固定能量,不同的原子产生不同频率的光。然而,激光在红外和微波之间的光谱中有一个特定的部分是不足的,这个部分被称为太赫兹间隙。

    布尔查博士说“现有激光技术的问题在于,没有一种材料具有产生太赫兹波的合适特性。”

    产生无线电或微波频率的电磁振荡器通过一系列放大器和倍增器将信号扩展到太赫兹范围,产生低功率的太赫兹脉冲。但是,这一过程会消耗大量的电压,而用于脉冲放大和倍增的材料效率有限。这意味着当它们接近太赫兹频率时就会失去功率。

    太赫兹间隙的另一方面,光学激光器将能量泵入气体以产生光子。然而,高功率太赫兹波段激光器体积大、功率大,不适合质量和功率有限的空间探索用途,特别是手持式或小型卫星应用。当光激光器向太赫兹带宽推进时,脉冲的功率也会下降。

    为了填补这一间隙,布尔查博士的团队正在开发量子级联激光器,利用一些独特的、只有几个原子厚的量子级联材料的物理特性,在每次电子跃迁事件中产生光子。

    在这些材料中,激光以特定的频率发射光子,该频率由交流半导体层的厚度决定,而不是由材料中的元素决定。在量子物理学中,薄层增加了光子通过隧道进入下一层的机率,而不是从势垒反弹。一旦到达那里,它就会激发额外的光子。使用80到100层的发光材料,总计不到10到15微米厚,团队的激光源产生了一个太赫兹能量的光子级联。

   这种级联消耗更少的电压来产生稳定的、高功率的光。这项技术的一个缺点是它的光束以大角度扩散,在短距离内迅速消散。布尔察博士和他的团队利用戈达德内部研究与发展(IRAD)基金支持的创新技术,将激光集成在一个波导上,用一个薄的光学天线来收紧光束。集成的激光和波导单元封装在小于1/4美元硬币的壳体内并减少了50%的损耗。

    他希望继续这项工作,为美国宇航局的阿尔忒弥斯计划(Artemis Program)制造一种可供飞往太空的激光器。

    量子级联激光器的小尺寸和低功耗使其能够与光谱仪硬件、处理器和电源一起安装在一个茶壶大小的1U立方体卫星中。甚至可以集成在手持设备中,以供未来探险者在月球、火星等其它地方使用。

 
 

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