里海大學在太赫茲雷射器輸出功率和光束質量上取得重要突破
2020-08-11 江蘇雷射產業創新聯盟江蘇雷射聯盟導讀：等離子體雷射器由於其本身的亞波長金屬腔而經受著低輸出功率和光束髮散的 困擾。來自里海大學的研究人員發展了一個稱之為鎖相的方案，可以顯著的提高雷射的發射效率和改善光束質量。陣列的金屬微腔穿過等離子體波而實現縱向地耦合，從而導致單個光譜模的發射和衍射局限在表面法線方向形成單瓣光束。研究人員將這一方案應用於太赫茲等離子體量子級聯雷射器（quantum-cascade lasers (QCLs) ）和測量峰值功率超過2W的單模 3.3THz QCL在窄單瓣光束時的發射，條件為運行溫度為58K時的緊湊型斯特林制冷機。同早期的工作相比較，研究人員展示了在功率上可以有一個數量級的增加和至少30倍高的平均功率強度的單模太赫茲QCLs存在。從微腔發射的光子數量和半導體介質來看，同早期的單模中紅外或太赫茲QCLs相比，有至少 >50%的發射效率和顯著的增加。
等離子體雷射器採用鎖相方案，其表面波縱向的同幾個金屬微腔在表面發射的雷射陣列光纖進行耦合
圖解：圖片展示的是單模太赫茲雷射器的多瓦發射，此時有較多的光子從雷射陣列進行發射
太赫茲雷射很快就有機會走向更廣闊的應用。太赫茲發射的雷射位於微波和紅外波長之間，屬於電磁光譜的範圍。太赫茲一直受到廣泛關注，其原因是太赫茲有穿透普通包裝材料，如塑料、織物、布料、硬紙板等等的能力，常常用來識別和探測不同的化學物質和生物分子物種。甚至用來在不對物體產生損壞的條件下進行生物組織類別的影像識別。為了能夠充分發揮 太赫茲雷射器的效用，就需要進一步的提高它的強度和亮度，而要實現這一點就需要提高太赫茲雷射設備的輸出功率和光束質量。
早在2018年裡海大學的研究人員曾經發展了一種簡單而有效的技術來提高單模雷射的輸出功率，是基於一種稱之為分布式反饋的機制來實現的。這一技術發表在期刊《Nature Communication》上，並且作為太赫茲QCL技術的重要進展而獲得了極大的關注。
如今，同樣來自里海大學的研究人員則報導了另外一個在太赫茲方面的重要突破，他們採用一種新的鎖相技術來發展等離子體雷射，通過該應用，實現了破紀錄的高功率太赫茲雷射的輸出。他們研製出來的雷射可以產生最高的發射效率，並且對任何單波長半導體雷射量子級聯雷射器都適用。這一技術以論文題目為&34;發表在今日出版的期刊《Optica》上。
據論文作者認為：他們目前研製的太赫茲雷射器的發射效率是當今任何單波長QCL雷射器中最高的，同時這個公開報導的發射效率超過50%的QCL 。這一高效率可以說超過了研究人員一開始的預期，這也是為什麼他們研製的雷射器的輸出功率會顯著的高出以前的雷射器的原因。
為了提高半導體雷射器的輸出功率和光束質量，科學家經常會利用鎖相技術，這是一種電磁控制技術，強制光學微腔的陣列在同步的時候實現發射輻射。太赫茲雷射，是在光學微腔金屬塗層上進行光束的限制，這就是一種稱之為等離子雷射器的雷射之所以存在低的發射效率的原因，所以該雷射器臭名昭著。同時在前期的文獻中也只存在非常少的技術關於可以提高等離子雷射器發射效率和輸出功率這方面的技術。
里海大學這次發表的一種用於等離子雷射的鎖相技同早期的鎖相技術顯著不同，該技術是利用電磁發射的表面波的旅行作為等離子光學微腔的工具。該方法的效率經過證明可以實現太赫茲雷射創記錄的高輸出功率，同時同以前的結果相比較，增加了至少一個數量級。這一技術將在科研和工業中的太赫茲光譜和傳感上大有用途。
這一技術的關鍵在於光學微腔的設計，這是獨立於半導體材料性質的。這一新的技術需要感應耦合等離子體（ICP，分析測試中的一種）蝕刻，它扮演著實現這類雷射器的性能邊界的關鍵。
這一研究報導可以說 是單波長太赫茲雷射的範式轉變，窄的光束將會得到發展和在將來繼續發展，同時研究者認為在將來太赫茲的前途非常光明。
從左到右邊：Lehigh University（理海大學）的太赫茲光子學研究團隊部分成員： Ji Chen, Liang Gao和 Yuan Jin（本文作者之一）
在太赫茲等離子體雷射器，使用兩塊金屬薄膜來封閉雷射諧振腔（在上面的一塊金屬薄膜中開周期性的狹縫），顏色表示相干SPP光波。其中一個光波被限制在10微米的波腔內。另外一個光波在空間範圍內比較大，位於腔體的頂端。
高功率表面發射的混合光柵高功率表面發射半導體太赫茲雷射的SEM照片
太赫茲的用途：可以快速測量藥物中的成分或者對患者的皮膚組織進行分類的可攜式掃描儀、在化學傳感和成像的廣泛應用中極具價值、在太空中進行星際元素探測，旨在了解更多關於我們星系的起源。地球上，高功率光子線雷射器還可用於改善皮膚和乳腺癌成像，檢測藥物和爆炸物等。 生物、化學傳感、光譜、炸藥，以及對違禁材料、檢測疾病的診斷，藥物的質量控制，甚至在遙感天文學方面以了解恆星和星系的形成。這些都是相當酷的東西，會給人留下深刻的印象。
參考文獻：
Lehigh University、Yuan Jin et al. High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03697-9；
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