美国国家航空航天局工程师开发微型高功率激光器在月球上寻找水

戈达德技术利用量子隧道效应产生高功率太赫兹激光，填补了现有激光技术的空白，在月球上寻找水可能会更容易。

定位水和其他资源是美国国家航空航天局的优先事项，对于探索地球的天然卫星和太阳系内外的其他物体至关重要。之前的实验推断，然后证实了月球上存在少量的水。然而，大多数技术无法区分水、游离氢离子和羟基，因为使用的宽带探测器无法区分不同的挥发物。

Berhanu Bulcha在马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的实验室里展示了他的太赫兹激光技术。

戈达德工程师Berhanu Bulcha博士表示，一种名为外差光谱仪的仪器可以放大特定频率，以确定月球上的水源。它需要一个稳定、高功率的太赫兹激光器，该激光器是通过美国国家航空航天局的小企业创新研究（SBIR）计划与长波光子公司合作进行原型设计的。

他说：“这种激光器让我们打开了一扇研究这种频谱的新窗口。”“其他任务在月球上发现了水合作用，但这可能表明是羟基或水。如果是水，它从哪里来？它是月球形成时固有的，还是彗星撞击后到达的？有多少水？我们需要回答这些问题，因为水对生存至关重要，可以用来制造进一步探索的燃料。”

顾名思义，光谱仪检测光的光谱或波长，以揭示光所接触物质的化学性质。大多数光谱仪倾向于在光谱的宽部分上工作。外差式仪器可以调谐到非常特定的光频率，如红外或太赫兹。像水这样的含氢化合物在微波和红外之间发射太赫兹频率范围内的光子，每秒2万亿到10万亿次循环。

就像显微镜在太赫兹等带宽内观察细微差异一样，外差光谱仪将本地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提供光谱的子带宽之间的精确读数。

传统的激光通过激发原子外壳内的电子来产生光，然后在跃迁或返回到静止能级时发射单个光子。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，激光在红外和微波之间的光谱中的一个特定部分（即太赫兹间隙）达不到要求。

布尔查博士说：“现有激光技术的问题在于，没有任何材料具有产生太赫兹波的正确特性。”

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，产生低功率太赫兹脉冲。然而，该过程消耗大量电压，并且用于放大和倍增脉冲的材料的效率有限。这意味着它们在接近太赫兹频率时会失去功率。

从太赫兹间隙的另一侧，光学激光器将能量泵送到气体中以产生光子。然而，高功率太赫兹波段激光器体积大，耗电量大，不适合用于质量和功率有限的太空探索目的，尤其是手持式或小型卫星应用。随着光学激光器向太赫兹带宽推进，脉冲的功率也会下降。

这种微小的激光器利用了只有几十个原子的材料的量子尺度效应，在传统激光器强度减弱的光谱部分产生了高功率光束。

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，利用只有几个原子厚的材料的一些独特的量子尺度物理特性，从每个电子跃迁事件中产生光子。

在这些材料中，激光器发射的光子的特定频率由半导体交替层的厚度而非材料中的元素决定。在量子物理学中，薄层增加了光子通过隧道到达下一层的机会，而不是从势垒上反弹。一旦到达那里，它就会激发更多的光子。该团队的光源使用一种80到100层、总厚度不到10到15微米的发生器材料，产生了太赫兹能量光子的级联。

这种级联消耗较少的电压来产生稳定、高功率的光。这种技术的一个缺点是它的光束以大角度展开，在短距离内迅速消散。Bulcha博士和他的团队利用戈达德内部研发（IRAD）资助的创新技术，将激光集成在波导管上，并用一个薄光学天线来收紧光束。集成激光器和波导单元在小于四分之一的封装中将这种耗散减少了50%。

他希望继续为美国国家航空航天局的阿尔忒弥斯计划制造一种可飞行的激光器。

该激光器的低尺寸和功耗使其能够安装在大约茶壶大小的1U立方体卫星中，以及光谱仪硬件、处理器和电源。它还可以为手持设备供电，供未来在月球、火星和其他地方的探险家使用。