美国理海大学发现多瓦太赫兹激光器新突破

太赫兹激光很快就要迎来他们的辉煌时刻了。太赫兹激光的辐射介于微波和红外线电磁波谱，由于太赫兹激光能够穿透日常包装材料如塑料、布料等，又可以用作各种化学物质和生物分子识别，有时候对某些生物组织成像时还不会造成损伤，所以太赫兹激光一直是密集研究的重点。通过提高功率输出和光束质量，太赫兹激光的强度和亮度也会相应提高，这一点对于完全实现太赫兹激光的潜力至关重要。

美国理海大学电子与计算机工程系的副教授Sushil Kumar和他的研究团队正在太赫兹半导体量子级联激光（QCL）技术的前沿领域工作。2018年，同样隶属于里海光子学和纳米电子中心（CPN）的Kumar报告了一种基于新型“分布反馈”机制的技术，这种技术能够简单高效地提高单模激光器的输出功率。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上，作为太赫兹量子级联激光技术的重大进展，受到了广泛关注。

如今，Kumar带领的团队又发表了太赫兹技术的新突破。他们为等离子体激光器开发了一种新的锁相技术，并通过它的使用，实现了太赫兹激光器创记录的高功率输出。他们的激光器在单波长半导体量子级联激光器中产生了最高的辐射效率。论文发表在Optica上，名为《单频模式下输出功率为2w的锁相太赫兹等离子体激光阵列》（Phase－locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode）

Kumar说：“据我们所知，我们的太赫兹激光的辐射效率是迄今为止所有单波长量子级联激光中最高的，也是第一次报道辐射效率超过50％的量子级联激光。研究人员表示，他们研究的太赫兹激光的辐射效率甚至已经超出预期。

为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家经常会使用锁相技术。锁相是一种电磁控制系统，可以迫使一组光腔以同步的方式发射辐射。太赫兹量子级联激光器是一种利用带有金属涂层（包层）的光腔进行光约束的激光器，亦被称为等离子体激光器，其辐射性能很差。

研究人员表示，在以前的文献中，只有有限的几种技术可以用来大幅度提高等离子体激光器的辐射效率和输出功率。而他们论文描述了一种新的等离子体激光器锁相方案，与之前在半导体激光器的大量文献中锁相激光器的研究有明显的不同。该方法利用电磁辐射的行波作为等离子体光腔锁相的工具，最后他们的太赫兹激光器输出功率比以前提高了一个数量级。

沿空腔的金属层传播表面波，但在空腔的周围介质中传播而不是在空腔内部传播，是一种独特的方法。Kumar的团队希望他们的激光器的输出功率水平能够促使激光研究人员和应用科学家合作开发太赫兹光谱学和基于这些激光器的传感平台。

研究人员表示，这项研究的主要创新在于光学腔的设计，这在一定程度上独立于半导体材料的特性。新获得的电感耦合等离子（ICP）刻蚀工具在推动这些激光器的性能往极限发展发挥了关键作用。

这项研究代表了窄光束单波长太赫兹激光器发展模式的转变，这种转变将在未来继续发展，Kumar说，“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常光明。”