里海大学在太赫兹激光器输出功率和光束质量上取得重要突破

    等离子体激光器由于其本身的亚波长金属腔而经受着低输出功率和光束发散的 困扰。来自里海大学的研究人员发展了一个称之为锁相的方案，可以显著的提高激光的发射效率和改善光束质量。阵列的金属微腔穿过等离子体波而实现纵向地耦合，从而导致单个光谱模的发射和衍射局限在表面法线方向形成单瓣光束。研究人员将这一方案应用于太赫兹等离子体量子级联激光器（quantum-cascade lasers (QCLs) ）和测量峰值功率超过2W的单模 3.3THz QCL在窄单瓣光束时的发射，条件为运行温度为58K时的紧凑型斯特林制冷机。同早期的工作相比较，研究人员展示了在功率上可以有一个数量级的增加和至少30倍高的平均功率强度的单模太赫兹QCLs存在。从微腔发射的光子数量和半导体介质来看，同早期的单模中红外或太赫兹QCLs相比，有至少 >50%的发射效率和显著的增加。

                                  等离子体激光器采用锁相方案，其表面波纵向的同几个金属微腔在表面发射的激光阵列光纤进行耦合

                                  图解：图片展示的是单模太赫兹激光器的多瓦发射，此时有较多的光子从激光阵列进行发射

    太赫兹激光很快就有机会走向更广阔的应用。太赫兹发射的激光位于微波和红外波长之间，属于电磁光谱的范围。太赫兹一直受到广泛关注，其原因是太赫兹有穿透普通包装材料，如塑料、织物、布料、硬纸板等等的能力，常常用来识别和探测不同的化学物质和生物分子物种。甚至用来在不对物体产生损坏的条件下进行生物组织类别的影像识别。为了能够充分发挥 太赫兹激光器的效用，就需要进一步的提高它的强度和亮度，而要实现这一点就需要提高太赫兹激光设备的输出功率和光束质量。

    早在2018年里海大学的研究人员曾经发展了一种简单而有效的技术来提高单模激光的输出功率，是基于一种称之为分布式反馈的机制来实现的。这一技术发表在期刊《Nature Communication》上，并且作为太赫兹QCL技术的重要进展而获得了极大的关注。

    如今，同样来自里海大学的研究人员则报道了另外一个在太赫兹方面的重要突破，他们采用一种新的锁相技术来发展等离子体激光，通过该应用，实现了破纪录的高功率太赫兹激光的输出。他们研制出来的激光可以产生最高的发射效率，并且对任何单波长半导体激光量子级联激光器都适用。这一技术以论文题目为"Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode"发表在今日出版的期刊《Optica》上。

    据论文作者认为：他们目前研制的太赫兹激光器的发射效率是当今任何单波长QCL激光器中最高的，同时这个公开报道的发射效率超过50%的QCL 。这一高效率可以说超过了研究人员一开始的预期，这也是为什么他们研制的激光器的输出功率会显著的高出以前的激光器的原因。

    为了提高半导体激光器的输出功率和光束质量，科学家经常会利用锁相技术，这是一种电磁控制技术，强制光学微腔的阵列在同步的时候实现发射辐射。太赫兹激光，是在光学微腔金属涂层上进行光束的限制，这就是一种称之为等离子激光器的激光之所以存在低的发射效率的原因，所以该激光器臭名昭著。同时在前期的文献中也只存在非常少的技术关于可以提高等离子激光器发射效率和输出功率这方面的技术。

    里海大学这次发表的一种用于等离子激光的锁相技同早期的锁相技术显著不同，该技术是利用电磁发射的表面波的旅行作为等离子光学微腔的工具。该方法的效率经过证明可以实现太赫兹激光创记录的高输出功率，同时同以前的结果相比较，增加了至少一个数量级。这一技术将在科研和工业中的太赫兹光谱和传感上大有用途。

    这一技术的关键在于光学微腔的设计，这是独立于半导体材料性质的。这一新的技术需要感应耦合等离子体（ICP，分析测试中的一种）蚀刻，它扮演着实现这类激光器的性能边界的关键。

    这一研究报道可以说 是单波长太赫兹激光的范式转变，窄的光束将会得到发展和在将来继续发展，同时研究者认为在将来太赫兹的前途非常光明。

                     从左到右边：Lehigh University（里海大学）的太赫兹光子学研究团队部分成员： Ji Chen, Liang Gao和 Yuan Jin（本文作者之一）

    在太赫兹等离子体激光器，使用两块金属薄膜来封闭激光谐振腔（在上面的一块金属薄膜中开周期性的狭缝），颜色表示相干SPP光波。其中一个光波被限制在10微米的波腔内。另外一个光波在空间范围内比较大，位于腔体的顶端。

高功率表面发射的混合光栅高功率表面发射半导体太赫兹激光的SEM照片

    太赫兹的用途：可以快速测量药物中的成分或者对患者的皮肤组织进行分类的便携式扫描仪、在化学传感和成像的广泛应用中极具价值、在太空中进行星际元素探测，旨在了解更多关于我们星系的起源。地球上，高功率光子线激光器还可用于改善皮肤和乳腺癌成像，检测药物和爆炸物等。 生物、化学传感、光谱、炸药，以及对违禁材料、检测疾病的诊断，药物的质量控制，甚至在遥感天文学方面以了解恒星和星系的形成。这些都是相当酷的东西，会给人留下深刻的印象。

参考文献：

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；

文章来源：Yuan Jin, John L. Reno, and Sushil Kuma, Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode, Optica (2020). DOI: 10.1364/OPTICA.390852，Vol. 7, Issue 6, pp. 708-715 (2020)