從智能手機和電視到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡上的紅外儀器以及使用微波的高速無線電信設備，無數技術都利用了電磁頻譜的某些部分。但在常用的微波和紅外光之間，有一個被忽視的區域，稱為太赫茲波段。太赫茲波具有許多令人興奮的潛在用途，尤其是因為它們可以像X 射線一樣用於透視材料或內部。然而，與X 射線不同的是，太赫茲波不會產生破壞性的電離輻射。

但太赫茲技術迄今為止一直處於停滯狀態，因為很難將微波或可見光技術以有用的尺寸和功率輸出應用於太赫茲範圍。

由Hiroaki Minamide 和他的團隊創建的設備，可有效地將紅外輻射轉換為太赫茲波。它可以在太赫茲波段的整個範圍內產生太赫茲輻射。圖片來源：© 2023 RIKEN

例如，產生太赫茲波的一種方法是開發產生更高頻率、超短波長微波的電氣設備。但這在一定程度上是困難的，因為這些設備需要高度優化的參數來產生更好的電氣性能，這已被證明具有挑戰性。

另一種策略是使用非線性晶體材料，通過轉換更短、更高頻率的紅外光波來產生太赫茲波。

理化學研究所先進光子學中心正在探索第二種策略——通過轉換紅外激光器的輸出來產生太赫茲波。傳統上，這種方法需要巨大的激光器來產生足夠強大的太赫茲波，以滿足大多數實際應用的需要。但這限制了太赫茲技術在實際應用中的應用——在這些應用中，用於原位分析的便攜式設備將更有價值。最近，它們在實現這一目標方面取得了巨大進展，並正在進行多項行業合作。

鈮酸鋰是一種非線性晶體，在受到近紅外激光照射時會產生太赫茲波束，但儘管經過多年的工作，仍無法使用這種方法產生足夠強大的太赫茲波。

研究人員發現了1993 年的一篇論文，其中描述了激光脈衝持續時間對非線性晶體的影響。這項分析可見光的研究表明，使用較短的脈衝可以減少稱為布里淵散射的光散射效應。通過減少激光脈衝持續時間，有可能可以最大限度地減少鈮酸鋰晶體的布里淵散射，這可能使我們能夠將更多的激光轉換為太赫茲波並增加功率輸出。

注意間隙：太赫茲間隙夾在電磁頻譜上的微波和紅外輻射之間，迄今為止在技術中尚未得到充分利用。與X 射線一樣，太赫茲波具有穿透材料的能力。但由於太赫茲波的頻率（以及能量）比X 射線低得多，因此它們不會像電離輻射那樣對健康造成同樣的風險。

最終研究人員證實使用亞納秒激光脈衝，可以擺脫布里淵散射，將太赫茲波功率輸出提高六個數量級——從200 毫瓦到100 千瓦，從一個只有一平方米的設備中獲得了強大的發射功率，比以前充滿整個房間的太赫茲設備小得多，但這對於實際應用來說仍然太大。

為了進一步小型化我們的太赫茲波源，理化學研究所用具有人工偏振調製微結構的薄鈮酸鋰晶體取代了之前使用的大塊鈮酸鋰晶體錠，這種晶體被稱為周期性極化鈮酸鋰（PPLN）晶體。PPLN 晶體通常用於可見光區域，由於其更高的光轉換效率，能夠用來開發手持設備。

在PPLN 研究之初，還沒有已知的方法可以使用PPLN 晶體有效地產生太赫茲波，研究人員最初對PPLN 晶體的行為感到非常困惑。我們沒有看到太赫茲波，只是從晶體中產生了意想不到的光束。

在仔細分析這種光的特性後，他們最終意識到太赫茲波正在產生，但方向卻出乎意料。光與PPLN 偏振調製結構之間的相互作用導致晶體後部產生太赫茲波。當將探測器移到它後面時，我們發現了太赫茲波，這意味著終於可以做出一個巴掌大小的原型機，轉換效率高，功率充足。只需旋轉晶體就可以調整產生的太赫茲波的頻率，新的掃描設備可以完全覆蓋光譜的關鍵亞太赫茲區域，這對於無損成像應用尤其重要。

研究基於成熟的光子和激光技術，通過非線性光學效應實現光波和太赫茲波之間的光子轉換。我們通過光注入降低閾值並穩定輸出功率，實現了後向太赫茲波參量振蕩的級聯振盪，在0.3太赫茲頻率下實現了200瓦的峰值太赫茲輸出功率； 在向後光學量子轉換過程中將太赫茲波轉換為光波； 並成功探測到約50阿托焦耳的超弱太赫茲波，其靈敏度比4開爾文測輻射熱計靈敏1000倍。這些結果提供了基於太赫茲到光量子光子轉換的新量子研究。最新的結果基於將量子理論納入我們的工作，未來的工作將探索量子糾纏——一個量子粒子神秘地鏡像另一個遙遠的粒子——以提高太赫茲探測器的靈敏度。

高度小型化、高功率太赫茲波系統得到了緊湊、強大光子激光器最新發展的補充，新研發的掃描設備使用新型微芯片激光器，能夠以亞納秒速度和高功率產生遠紅外激光脈衝，產生強烈的亞太赫茲發射，非常適合成像和分析工作。理化學研究所正在與專門從事電子、光學和光子學的日本公司（例如理光、拓普康、三菱電機和濱松光子學）進行聯合研究，以開發無損檢測應用和太赫茲波光譜設備。

研究人員組裝了一個太赫茲成像設備原型：一把可以發射塑料子彈的塑料槍，當隱藏在散射大量光線的凹凸不平的玻璃後面時，可以被清楚地檢測到，還可以清楚地看到一把藏在厚皮包裡的剪刀。

由於特徵性的“指紋”吸收模式，太赫茲波還可以揭示物質的化學成分。例如，用肉眼看起來相同的不同無色液體（例如煤油和丙酮）可以通過這種方法輕鬆識別。因此，太赫茲波的應用範圍從機場安全掃描儀到歷史藝術品的分析。

與現有方法不同，還可以對工業油漆和外塗層進行分析，包括新車和藥片等各種物質，而且是非破壞性的。未來還可以將設備安裝在機器人上，沿著工業管道爬行以檢查腐蝕情況，或者安裝在無人機上以檢查輸電塔上的油漆。

這些和其他用途可以讓我們更好地了解材料如何相互作用和原位降解。例如，如果能夠使用非破壞性技術更好地理解這些問題，就可以更輕鬆地實時調整生產流程，以提高效率並進行修補以延長結構的使用壽命。經濟效益和環境效益應該是指數級的。