虹科案例|NASA利用太赫兹技术探测月球上的水源

对于NASA探索地球的天然卫星——月球，以及太阳系内外的其他天气的首要任务，是探究这些天体上是否存在水，因为水是生命存在必不可少的条件。在以往的实验中，证实了月球上存在少量的水：2022年，中国科学院报告称，中国的月球着陆器于2年通过机载光谱分析首次实时、现场明确确认月球岩石和土壤中的水信号。

实际探测中，大多数技术不能区分水、游离氢离子和羟基，像水这样的含氢化合物会发射太赫兹频率范围内（居于微波与红外之间）的光子，所以通常使用的宽带探测器无法精准检测。

Goddard航天中心的工程师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，以明确识别和定位月球上的水源。顾名思义，光谱仪检测光谱或光的波长，以揭示光接触过的物质的化学性质，大多数光谱仪倾向于在宽光谱范围工作。外差光谱仪将参考激光源与入射光相结合，测量激光源和组合波长之间的差异可提供光谱子带宽之间的准确读数，就像太赫兹等带宽内细微差异的显微镜一样，从而分辨出是否真正存在水，实现相关天体环境的检测。

实现这样的外差光谱仪需要一个稳定的，高功率的太赫兹激光器。“现有激光技术的问题在于，”布尔查博士说，“没有一种材料具有产生太赫兹波的正确特性。

传统激光器通过激发原子壳内的电子来产生光，然后在跃迁时发射单个光子，或返回到其静止能级，不同的原子根据激发一个电子所需的固定能量产生不同频率的光。然而，这种方法难以产生位于红外和微波之间的太赫兹波（称为太赫兹间隙）。

半导体激光器原理

电学方法：电磁振荡器（如产生无线电或微波频率的电磁振荡器）通过使用一系列放大器和倍频器将信号扩展到太赫兹范围来产生低功率太赫兹脉冲。然而，这个过程消耗大量的电能，并且用于放大和乘以脉冲的材料效率有限，这意味着它们在高频太赫兹频率时会损失功率。

基于肖特基二极管倍频器的太赫兹源（75-600G）

光学方法：从太赫兹间隙的另一侧，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，功耗大，不适合质量和功率有限的太空探索目的，特别是小型卫星的应用。同时，当光学激光器向太赫兹范围推进时，脉冲的功率也会下降。

CO2太赫兹激光器，输出频率0.25-7.5THz

为了填补这一空白，Bulcha博士的团队正在开发量子级联激光器，通过利用一些独特的量子尺度物理学，利用只有几个原子厚的材料，从中产生光子。与标准二极管激光器不同，发射频率由所用材料之间的能带隙差决定，QCL发射频率由工程带结构（量子阱的大小和宽度）决定，每个通过结构的电子都会发射N太赫兹光子，其中N是激光中的周期数。

太赫兹QCL原理

在量子物理学中，薄层材料增加了光子可以隧穿到下一层的机会。一旦到达相邻量子阱的对应位置，它就会激发额外的光子。使用具有80~100层的发生器材料，总厚度不到10~15微米，该团队的量子级联激光器产生了一连串太赫兹能量光子。这种级联消耗较少的电压来产生稳定的高功率光。

Goddard航天中心开发的小型QCL太赫兹源

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。利用Goddard内部研发（IRAD）资助的创新技术，Bulcha博士和他的团队将激光与薄光学天线集成在波导上，以收紧光束。集成的激光器和波导单元在不到四分之一的封装中将这种耗散降低了 50%。

激光器的低尺寸和功耗使其能够安装在1U尺寸的Cubeset中，大约是一个茶壶的大小，包括光谱仪硬件，处理器和电源。它还可以为手持设备供电，供未来的月球、火星和更远的星球的探索使用。

参考文献：

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

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