随机系统中的太赫兹时空波合成

图形抽象。资料来源:ACS Photonics(2024)。DOI: 10.1021/ acphotonics .3c01671

一个研究小组开发了一种新技术，可以在太赫兹波穿过无序材料时对其进行精确的时空控制。

该方法发表在《ACS光子学》杂志上，可能会在医学成像、通信和其他依赖宽带太赫兹脉冲的应用领域取得进展。这项研究是作为欧盟ERC项目TIMING的一部分进行的，研究小组包括拉夫堡大学新兴光子学研究中心的成员，并与埃克塞特大学的Jacopo Bertolotti教授合作。在光学领域，传统观点长期以来一直认为无序系统——就像透过磨砂玻璃看东西一样——是清晰度的限制。就像雾一样，水粒子的无序分布，散射光线，模糊我们的视野，这些材料以不可预测的方式散射光线。但这项新研究表明，我们可以利用这种散射为我们的优势。一种更现代的方法将这些物体描述为“复杂媒体”，揭示了一种截然不同的叙事。关键在于理解，虽然信息在这些系统中确实被打乱了，但它并不是不可挽回的丢失，而且这种打乱可以用来操纵光本身。太赫兹波是一种波长介于微波和红外光之间的电磁辐射。它们代表了电子学和光子学之间的桥梁，这使得它们非常难以产生、检测和操纵。太赫兹波可以穿透衣服、纸张和塑料等材料，提供清晰的图像，而不会受到x射线的电离损伤，而且它们可以携带异常高性能的通信链路，因此它们受到高度追捧和独特。然而，太赫兹波在穿过复杂的结构(如一些生物组织或技术结构)时变得扭曲。事实上，通过复杂介质成像是一种挑战，也是一种机遇。

在这项研究中，研究人员使用了一种特殊的超快激光，以其极短的脉冲而闻名，来产生太赫兹脉冲(持续时间为几皮秒)。当这些图案与复杂的散射材料相互作用时，研究人员通过采用一种特殊设计的遗传算法来操纵激光的照明，该算法模仿自然进化的过程来解决复杂的问题。结果，他们控制了太赫兹波在空间中的分布方式，以及物质在时间上的演变。在某种程度上，这种程度的控制以一种具有所需图案和颜色的新形式重新组合了被散射打乱的波块。该研究的首席研究员维托里奥·切科尼(Vittorio Cecconi)博士说:“令人惊讶的是，复杂的介质像复杂的设备一样运作，以一种目前尚无法企及的方式操纵太赫兹波，但它们实际上是非常容易接近的随机粒子组装。”他继续说道:“这为在成像和传感应用中利用太赫兹波开辟了新的可能性，在这些应用中散射是一个问题。”

虽然这种方法具有多学科分支，但在太赫兹，它是通过可用的方法来测量太赫兹电场随时间的演变，以类似于示波器功能的方式实现的。然而，在光子学中，这是非常罕见的，因为电场(在电磁波中振荡的量)通常不能测量光，通常通过光电探测器访问的量是强度。这种特殊的差异使得一种被称为非线性鬼影成像设计的方法能够获得波的时空信息以及它们与光学材料相互作用的方式。Cecconi博士说:“非线性鬼影成像和复杂介质之间的协同作用使这项研究成为可能，并开启了几个潜在的先进应用，比如太赫兹计算。”Peccianti教授是ERC项目TIMING的主任和首席研究员，他强调了中心的使命，他说:“在新兴光子学研究中心，我们的核心精神是探索超快光子学和复杂性之间的交叉点。在这里，光超越了其仅仅作为照明的传统角色，演变成一种能够即时捕获和处理大量信息的强大工具——标志着一种新技术创新的路线。"