虹科案例|NASA利用太赫茲技術探測月球上的水源

對于NASA探索地球的天然衛星——月球，以及太陽系內外的其他天氣的首要任務，是探究這些天體上是否存在水，因為水是生命存在必不可少的條件。在以往的實驗中，證實了月球上存在少量的水：2022年，中國科學院報告稱，中國的月球著陸器于2年通過機載光譜分析首次實時、現場明確確認月球巖石和土壤中的水信號。

實際探測中，大多數技術不能區分水、游離氫離子和羥基，像水這樣的含氫化合物會發射太赫茲頻率范圍內（居于微波與紅外之間）的光子，所以通常使用的寬帶探測器無法精準檢測。

Goddard航天中心的工程師Berhanu Bulcha博士說，一種稱為外差光譜儀的儀器可以放大特定頻率，以明確識別和定位月球上的水源。顧名思義，光譜儀檢測光譜或光的波長，以揭示光接觸過的物質的化學性質，大多數光譜儀傾向于在寬光譜范圍工作。外差光譜儀將參考激光源與入射光相結合，測量激光源和組合波長之間的差異可提供光譜子帶寬之間的準確讀數，就像太赫茲等帶寬內細微差異的顯微鏡一樣，從而分辨出是否真正存在水，實現相關天體環境的檢測。

實現這樣的外差光譜儀需要一個穩定的，高功率的太赫茲激光器。“現有激光技術的問題在于，”布爾查博士說，“沒有一種材料具有產生太赫茲波的正確特性。

傳統激光器通過激發原子殼內的電子來產生光，然后在躍遷時發射單個光子，或返回到其靜止能級，不同的原子根據激發一個電子所需的固定能量產生不同頻率的光。然而，這種方法難以產生位于紅外和微波之間的太赫茲波（稱為太赫茲間隙）。

半導體激光器原理

電學方法：電磁振蕩器（如產生無線電或微波頻率的電磁振蕩器）通過使用一系列放大器和倍頻器將信號擴展到太赫茲范圍來產生低功率太赫茲脈沖。然而，這個過程消耗大量的電能，并且用于放大和乘以脈沖的材料效率有限，這意味著它們在高頻太赫茲頻率時會損失功率。

虹科基于肖特基二極管倍頻器的太赫茲源（75-600G），功率最高350mW

光學方法：從太赫茲間隙的另一側，光學激光器將能量泵入氣體以產生光子。然而，高功率太赫茲波段激光器體積大，功耗大，不適合質量和功率有限的太空探索目的，特別是小型衛星的應用。同時，當光學激光器向太赫茲范圍推進時，脈沖的功率也會下降。

CO2太赫茲激光器，輸出頻率0.25-7.5THz

為了填補這一空白，Bulcha博士的團隊正在開發量子級聯激光器，通過利用一些獨特的量子尺度物理學，利用只有幾個原子厚的材料，從中產生光子。與標準二極管激光器不同，發射頻率由所用材料之間的能帶隙差決定，QCL發射頻率由工程帶結構（量子阱的大小和寬度）決定，每個通過結構的電子都會發射N太赫茲光子，其中N是激光中的周期數。

QCL原理

在量子物理學中，薄層材料增加了光子可以隧穿到下一層的機會。一旦到達相鄰量子阱的對應位置，它就會激發額外的光子。使用具有80~100層的發生器材料，總厚度不到10~15微米，該團隊的量子級聯激光器產生了一連串太赫茲能量光子。這種級聯消耗較少的電壓來產生穩定的高功率光。

Goddard航天中心開發的小型QCL太赫茲源

這項技術的一個缺點是它的光束以大角度擴散，在短距離內迅速消散。利用Goddard內部研發（IRAD）資助的創新技術，Bulcha博士和他的團隊將激光與薄光學天線集成在波導上，以收緊光束。集成的激光器和波導單元在不到四分之一的封裝中將這種耗散降低了 50%。

激光器的低尺寸和功耗使其能夠安裝在1U尺寸的Cubeset中，大約是一個茶壺的大小，包括光譜儀硬件，處理器和電源。它還可以為手持設備供電，供未來的月球、火星和更遠的星球的探索使用。

虹科太赫茲源方案

虹科提供基于量子級聯激光器的多波段、高功率的高頻太赫茲源，以及基于倍頻器的低頻亞太赫茲源，助力天文、生物醫學、地質、工業檢測等多領域的科研研究。

l  虹科TeraCascade2000太赫茲源

基于量子級聯激光（QCL）技術的高頻高功率多波段太赫茲源。可集成多達6個QCL芯片，頻率分布于2-5THz。輸出功率可達毫瓦量級，能夠穿透各種生物組織。集成的QCL驅動器可提供即時的電子控制以快速切換工作頻率。配置全新設計的半永久真空系統，結合斯特林冷卻機實現低溫環境，無需額外提供制冷劑。緊湊設計，即插即用，可便利集成于實驗室的太赫茲成像系統中，提供高強度的太赫茲發射波。

l  虹科TeraCascade100太赫茲源

基于量子級聯激光（QCL）技術的高頻太赫茲源。單頻率連續波輸出，功率達百微瓦，采用液氮制冷，是具有成本效益的QCL源，可實現相關太赫茲研究。

l  虹科TeraSchottky亞太赫茲源

基于肖特基二極管倍頻器原理的亞太赫茲源（＜1THz）。基頻為75GHz，施加倍頻器可拓展至150, 300和600Hz。輸出功率高達百毫瓦，在穿透力上具有明顯優勢。高可調諧性，具有＞ 12 %的可調頻寬，滿足多種應用的需求。高度集成，即插即用，可遠程操控。

參考文獻：NASA engineer develops tiny, high-powered laser to find water on the moon (phys.org)

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