太赫茲激光器可能很快就會(huì)出現(xiàn)。太赫茲激光器發(fā)出的輻射沿電磁波譜位于微波和紅外光之間，由于其能夠穿透常見(jiàn)的包裝材料(例如塑料，織物和硬紙板)并被用于識(shí)別和檢測(cè)各種電磁波，因此一直是研究的重點(diǎn)。化學(xué)物質(zhì)和生物分子種類(lèi)，甚至可以成像某些類(lèi)型的生物組織而不會(huì)造成損害。實(shí)現(xiàn)太赫茲激光對(duì)我們的潛力取決于通過(guò)提高功率輸出和光束質(zhì)量來(lái)提高其強(qiáng)度和亮度。

Lehigh大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的副教授Sushil Kumar和他的研究團(tuán)隊(duì)致力于太赫茲半導(dǎo)體“量子級(jí)聯(lián)”激光器(QCL)技術(shù)的前沿研究。在2018年，同樣隸屬于里海大學(xué)光子學(xué)與納米電子中心(CPN)的庫(kù)瑪(Kumar)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單而有效的技術(shù)，它基于一種新型的“分布式反饋”機(jī)制來(lái)增強(qiáng)單模激光器的功率輸出。該結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》雜志上，作為太赫茲QCL技術(shù)的一項(xiàng)重大進(jìn)步而受到了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)工作是由包括袁進(jìn)，

現(xiàn)在，桑迪亞的Kumar，Jin和John L. Reno報(bào)告了太赫茲技術(shù)的另一項(xiàng)突破：他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種用于等離激元激光器的新型鎖相技術(shù)，并通過(guò)使用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲激光器的創(chuàng)紀(jì)錄的高功率輸出。他們的激光器產(chǎn)生了任何單波長(zhǎng)半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器最高的輻射效率。這些結(jié)果在昨天在Optica上發(fā)表的論文“在單光譜模式下具有2 W輸出功率的鎖相太赫茲等離子體激元激光器陣列”中得到了解釋。

Kumar說(shuō)：“據(jù)我們所知，太赫茲激光器的輻射效率是迄今為止任何單波長(zhǎng)QCL所證明的最高效率，也是關(guān)于這種QCL達(dá)到50%以上的輻射效率的第一份報(bào)告。” 。“如此高的輻射效率超出了我們的期望，這也是為什么我們的激光器的輸出功率顯著大于以前獲得的功率的原因之一。”

為了提高半導(dǎo)體激光器的光功率輸出和光束質(zhì)量，科學(xué)家們經(jīng)常利用鎖相技術(shù)，這是一種電磁控制系統(tǒng)，可以迫使一系列光腔在鎖定步驟中發(fā)出輻射。太赫茲QCL是利用一類(lèi)帶有金屬涂層(覆層)的光腔來(lái)限制光的，它是一類(lèi)被稱(chēng)為等離子激元激光器的激光器，以其不良的輻射性能而臭名昭著。他們說(shuō)，現(xiàn)有文獻(xiàn)中可用的技術(shù)數(shù)量有限，可用于顯著地提高這種等離激元激光器的輻射效率和輸出功率。

Jin說(shuō)：“我們的論文描述了一種用于等離子體激元激光器的新鎖相方案，該方案與先前在大量有關(guān)半導(dǎo)體激光器的文獻(xiàn)中對(duì)鎖相激光器的研究明顯不同。”“所證明的方法利用了電磁輻射的傳播表面波作為等離激元光腔的鎖相工具。該方法的有效性通過(guò)為太赫茲激光器實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高輸出功率而得到了證明，該功率已經(jīng)提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。與先前的工作相比。”

沿腔的金屬層傳播但在腔的周?chē)橘|(zhì)中而不是內(nèi)部而不是內(nèi)部傳播的行進(jìn)表面波是Kumar研究小組近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種獨(dú)特方法，該方法將繼續(xù)為進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)辟新途徑革新。該團(tuán)隊(duì)期望他們的激光器的輸出功率水平可以導(dǎo)致激光器研究人員和應(yīng)用科學(xué)家之間的合作，以開(kāi)發(fā)太赫茲光譜和基于這些激光器的傳感平臺(tái)。

QCL技術(shù)的這項(xiàng)創(chuàng)新是Kuhigh實(shí)驗(yàn)室在Lehigh進(jìn)行長(zhǎng)期研究的結(jié)果。Kumar和Jin通過(guò)大約兩年的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)共同開(kāi)發(fā)了最終實(shí)現(xiàn)的想法。與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)的里諾(Reno)博士的合作使庫(kù)瑪(Kumar)及其團(tuán)隊(duì)能夠接收半導(dǎo)體材料，以形成用于這些激光器的量子級(jí)聯(lián)光學(xué)介質(zhì)。

據(jù)研究人員稱(chēng)，這項(xiàng)工作的主要?jiǎng)?chuàng)新在于光腔的設(shè)計(jì)，該腔在某種程度上與半導(dǎo)體材料的性能無(wú)關(guān)。他們說(shuō)，Lehigh CPN公司新獲得的電感耦合等離子體(ICP)蝕刻工具在推動(dòng)這些激光器的性能極限方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

Kumar說(shuō)，這項(xiàng)研究代表了如何開(kāi)發(fā)窄光束單波長(zhǎng)太赫茲激光器，并將在未來(lái)發(fā)展，這是一個(gè)范式轉(zhuǎn)變。他說(shuō)：“我認(rèn)為太赫茲激光器的前景非常光明。”