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美学者在太赫兹激光器研究领域实现重大突破

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利用激光器将光束转为强烈的单色辐射光,彻底改变了我们的生活及工作方式,已有超过五十年的历史。它的众多应用包括:超快且高通量的数据通信、制造业、外科手术、条形码扫描器、打印机、无人驾驶技术和激光投影显示器。激光还应用于原子和分子光谱学中,可用于各类科学分支和各类化学物质与生物分子的检测和分析。

激光可依据其电磁波谱内的发射波长进行分类,如激光笔等可见光激光只是其中的一小部分。红外激光可通过光纤用于光通信;紫外激光可用于眼科手术;此外还有太赫兹激光(terahertz laser),这也是里海大学(Lehigh University)电子与计算机工程学院副教授Sushil Kumar研究团队的研究对象。

美学者在太赫兹激光器研究领域实现重大突破

图为太赫兹光子实验室

在电磁波谱中,太赫兹激光发出的辐射位于微波与红外光之间。其辐射既可以穿透如塑料、纤维织物和硬纸板等常见的包装材料,也对各类化学物质的光学传感和分析非常有效。这类激光(太赫兹激光)有着广阔的应用前景,可用于非破坏性筛查和检测包装好的爆炸物与非法药物,评估药物化合物,筛查皮肤癌,甚至是对恒星与星系形成的研究。

光谱学等应用要求激光以精确的波长发射,这通常是通过一种被称为“分布反馈(distributed-feedback)”的技术来实现的。这种可发射精确波长的器件被称为单模激光器(single-mode lasers)。由于太赫兹激光器最重要的应用将在太赫兹光谱学中,因此要求单模运行对太赫兹激光器来说尤其重要。目前太赫兹激光器仍处于发展阶段,世界各地的研究人员正试图改善其性能特征,以使其满足商业可行性条件。

太赫兹辐射在传播时会被大气湿度所吸收。因此,其关键要求是这类激光必须足够强大,才能用于几米或更远距离的光学传感与物质分析,而不被吸收。为此,Kumar的研究团队专注于提高激光的强度和亮度,这在一定程度上可通过增加光功率输出来实现。

据麦姆斯咨询报道,最近,由Kumar与Sandia国家实验室(Sandia National Laboratories)合作领导的里海大学团队在《自然通讯(Nature Communications)》杂志上发表了论文,论文报告了一种提高单模激光器输出功率的简单而有效的技术,即为“表面发射(surface-emitting)”(该技术与那些使用“边缘发射”结构的激光器截然不同)。在这两种类型的激光器中,半导体激光器的表面发射结构为商业化生产激光器的小型化、封装和测试,提供了独特的优势。

这项已发表的研究描述了一种新型技术,通过该技术可在激光器的光学腔内引入特定类型的周期性,使它从根本上辐射出高辐射效率的高质量光束,从而使激光器更强大。研究中称其方案为“混合了二、四阶的布拉格光栅(hybrid second- and fourth-order Bragg grating)”(这与典型的表面发射激光器的二阶布拉格光栅不同,在近30年的时间里,各种各样的此类激光器已被广泛使用)。研究者声称他们的混合光栅方案并不局限于太赫兹激光器,并且这种方案有可能提高广泛的以不同波长发射的表面发射半导体激光器的性能。

该研究讨论了单片单模太赫兹激光器的实验结果,该激光器的功率输出为170毫瓦(milliwatts),这是迄今为止此类激光器中最强大的激光器。研究表明,所谓的混合光栅能够通过在激光器腔内的刻印光栅的简单周期性变化,使激光器发射出特定波长的激光,同时保持波束质量。Kumar坚持认为,他们的技术在未来不断地改进中,可以实现1瓦特及以上的功率水平,只要克服这个阈值,就能吸引行业关注并逐步实现太赫兹激光仪器的潜在商业化。

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