随机系统中太赫兹时空波的合成

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 Photonics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方面取得进展。这项研究是作为欧盟ERC项目TIMING的一部分进行的，该团队包括拉夫堡新兴光子研究中心的成员，他们与埃克塞特大学的Jacobo Bertolotti教授合作

在光学领域，传统观点长期以来一直认为无序的系统——比如透过磨砂玻璃观察——是清晰度的限制。就像雾，一种无序分布的水颗粒，散射光线并模糊我们的视觉一样，这些材料以不可预测的方式散射光线。但这项新的研究表明，我们可以利用这种散射优势

将这些物体描述为“复杂媒介”的更现代的方法揭示了一种截然不同的叙事。关键在于要理解，虽然信息确实在这些系统中被打乱了，但它并不是不可挽回的丢失，这种打乱可以用来操纵光本身

太赫兹波是波长介于微波和红外光之间的电磁辐射的一种形式。它们代表了电子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。然而，它们备受追捧，而且是独一无二的，因为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

然而，太赫兹波在通过一些生物组织或技术结构等复杂结构传播时会失真。事实上，通过复杂介质成像是一个挑战，也是一个机遇

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，来创建太赫兹脉冲模式（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，研究人员通过使用一种专门设计的遗传算法来操纵激光的照明，该算法模拟自然进化的过程来解决复杂的问题

因此，他们控制了太赫兹波在空间中的分布方式，并在物质之后在时间上进化。在某种程度上，这种控制水平以具有所需图案和颜色的新形式重新组合被散射扰乱的波浪片段

该研究的首席研究员Vittorio Cecconi博士说：“值得注意的是，复杂介质作为复杂的设备，以本领域无法触及的方式操纵太赫兹波，但它们实际上是非常容易获得的粒子随机组装。”。他继续说道，“这为在散射是一个问题的成像和传感应用中利用太赫兹波开辟了新的可能性。”

虽然这种方法具有多学科的影响，但在太赫兹方面，它是由测量太赫兹电场随时间演变的方法实现的，其方式类似于示波器的功能。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）通常不能对光进行测量，而通过光电探测器通常获得的量是强度

这种特定的差异使一种被称为非线性鬼成像设计的方法能够获得关于波及其与光学材料相互作用方式的时空信息

该中心主任兼ERC项目TIMING的首席研究员Peccianti教授强调了该中心的使命，他表示，“在新兴光子学研究中心，我们的核心理念是探索超快光子学和复杂性之间的交叉点。在这里，光超越了其作为单纯照明的传统作用，发展成为一种强大的工具，能够即时捕捉和处理大量信息，这标志着一种新的技术创新的路线。”