瞄准未经使用频谱,美国科学家研制出首款太赫兹带通滤波器

Utah大学的科学家们论证了全球首款带通滤波器,使用一个未经使用的电磁频谱。工作在太赫兹空隙,中央频率为每秒1万亿周期,科学家们利用表面等离极化激元(plasmon polariton)实现了通信系统所需的三大必要元件之一。

未经许可的频谱区域是全世界范围内的积极研究领域。它在911之后引起特别注意,因为太赫兹辐射能穿透衣物,但不能穿透金属,使太赫兹扫描仪能轻易认出被遮掩的武器。

太赫兹带通滤波器是光电混合器件,能实现具有X射线透视的扫描仪和超高速通信系统,但没有X射线的破坏性。 Utah大学电气工程师兼副教授Ajay Nahata表示:“我们发现,在穿孔的金属表面和空气之间等离极化激元与电磁波耦合作为介电质,在特定频率处进行干扰,使准晶体能在太赫兹频带处成为非常高效的带通滤波器。下一步我们计划将研制能象光器件一样发射太赫兹辐射的调制器,但能用电信号开关,从而实现甚高速通信及更安全的扫描仪。”

Nahata指出,太赫兹辐射能被广泛应用前仍然有许多技术障碍需要清除。尤其是,电气工程师必须得发明开关并调制这些令人难以捉摸的波形的方法。其中一些问题也解释了“为什么电磁频谱的这一区域从来没有被开发利用”的原因。

Nahata表示,“从我的观点来看,最有趣的问题是如何研制可调滤波器,如何研制调制器和开关,而它们是真正意义上的光电混合器件,而不是其中的一种。”

表面等离极化激元由导体和绝缘体之间的谐振电子集合组成。它们将电子与光子聚合,形成新的物体称为准微粒。表面等离极化激元已展现出在一定光频带内增强传输的能力,但Utah的成果是首次作为太赫兹频带内的带通滤波器。

这种伪单器件,以晶体形式穿孔的金属薄膜,采用与微波炉相同的原理。如同微波炉窗口的穿孔金属盘, Nahata的准晶体也穿孔,透过毫米波长的太赫兹辐射。但孔的大小被仔细选定,以产生可在特定频率下谐振的表面等离极化激元,使这些频带能通过。

Nahata和他的同事加工了多种多样的准晶体拓扑,通过调整孔的尺寸从四分之一到二分之一毫米确定了这种太赫兹带通滤波器的宽度和中心频率。

除了在通信领域的应用,研究人员还着重研究了隐蔽金属、化学和生物武器的检测。金属武器可通过太赫兹类似X光的成像方法被检测出来。生物和化学武器能用可记录太赫兹频带谐振的振荡光谱仪辨认出来,其类型特别针对一定的化合物。

研究人员还论证了通过倾斜孔箔(foil) 来调整中心频率的能力,以调节太赫兹带通滤波器。研究人员计划今后构建开关和调制器,从而实现未来太赫兹通信和安全扫描仪所需的所有元器件。该跨学科研究由美国军队研究办公室和Utah大学Synergy项目出资推动。