時(shí)間：2018-05-30 16:34:37 閱讀：8823 來(lái)源：
【轉(zhuǎn)載】來(lái)源：理海大學(xué)；電子科技大學(xué)太赫茲研究中心 四川太赫茲應(yīng)用研究聯(lián)合課題組 朱浩 編譯
從左到右：研究人員理海（Lehigh）大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系研究生Ji Chen，Liang Gao和Yuan Jin在理海大學(xué)Sinclair大樓的Sushil Kumar的太赫茲光子實(shí)驗(yàn)室工作。圖片來(lái)源: Sushil Kumar, 理海大學(xué)
將光嵌入強(qiáng)烈的單色輻射激光的技術(shù)，在五十多年來(lái)，已經(jīng)徹底的改變了我們的生活與工作方式。它的許多應(yīng)用包括超快及高容量數(shù)據(jù)通信、制造業(yè)、外科手術(shù)、條形碼掃描器、打印機(jī)、自動(dòng)駕駛技術(shù)和驚艷的激光顯示器。激光在不同科學(xué)分支都需要的原子和分子光譜中有著重要的應(yīng)用，而在化學(xué)物質(zhì)和生物分子的檢測(cè)分析中，激光技術(shù)也同樣起著重要作用。
激光可以根據(jù)其在電磁波譜內(nèi)的波長(zhǎng)進(jìn)行分類(lèi)，可見(jiàn)光激光器——比如激光筆——只是其中的一小部分應(yīng)用。紅外線激光器借助光纖可被用于進(jìn)行光通信。紫外線激光可用于眼科手術(shù)。除此之外還有太赫茲激光器，這也是理海大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系副教授Sushil Kumar研究小組正在研究的對(duì)象。
在電磁波譜中，太赫茲激光器發(fā)出的輻射位于微波和紅外光之間。它們的輻射可以穿透塑料、織物和紙板等常見(jiàn)的包裝材料，而且在光學(xué)傳感和各種化學(xué)物質(zhì)的分析方面也非常有效。這些激光器可用于非破壞性的篩選和檢測(cè)包裝爆炸物和非法藥物，對(duì)藥物化合物的評(píng)估，對(duì)皮膚癌的篩查，甚至是對(duì)恒星和星系形成的研究。
光譜學(xué)等應(yīng)用要求激光以精確的波長(zhǎng)發(fā)射輻射，這通常是通過(guò)一種被稱(chēng)為“分布式反饋”的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種裝置被稱(chēng)為單模激光器。對(duì)于太赫茲激光器而言，單模工作至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冏钪匾膽?yīng)用包括太赫茲光譜技術(shù)。太赫茲激光器目前仍處于發(fā)展階段，世界各地的研究人員正試圖改善它們的性能特征，以滿足使其具有商業(yè)可行性的條件。
圖片來(lái)源： Sushil Kumar, Lehigh University
頂部：一張掃描電子顯微鏡的圖像，這是一個(gè)帶有混合光柵結(jié)構(gòu)的高功率表面激勵(lì)的太赫茲半導(dǎo)體激光。多激光器是在砷化鎵半導(dǎo)體芯片上面制造，每一個(gè)激光器大約有1.5毫米長(zhǎng)，10微米厚，寬度在0.1到0.2毫米之間。底部：在工作中的太赫茲激光器的插圖。激光器的半導(dǎo)體材料夾在頂部和底部的金屬層之間。在最上面的金屬層中，有一個(gè)周期性的光柵，光可以從中透過(guò)。二、四階的布拉格光柵（表現(xiàn)為單雙縫的交替）的相互作用，會(huì)導(dǎo)致交替周期的周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，這些輻射會(huì)在表面法線方向相干性的結(jié)合成高質(zhì)量的單瓣光柵。
當(dāng)太赫茲波傳播時(shí)，它會(huì)被大氣里的水汽吸收，因此，這種激光器的一個(gè)關(guān)鍵要求就是能產(chǎn)生一束密集的光束，這樣它就可以用于光學(xué)傳感和分析，而這些被分析的物質(zhì)往往保持在距離幾米或更遠(yuǎn)的距離，所以密集的光才不會(huì)被大氣吸收。為此，Kumar的研究團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于提高強(qiáng)度和亮度，部分通過(guò)提高光功率輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在最近發(fā)表在自然通訊雜志上的一篇論文中，由Kumar與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作領(lǐng)導(dǎo)的理海大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單而有效的技術(shù)，以提高單模激光器的輸出功率，即“表面發(fā)射”（相對(duì)于那些使用“邊緣發(fā)射”結(jié)構(gòu)的激光器）。在這兩種類(lèi)型中，半導(dǎo)體激光器的表面發(fā)射結(jié)構(gòu)為商業(yè)化生產(chǎn)激光器的小型化、封裝和測(cè)試提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
已發(fā)表的研究描述了一種新的技術(shù)，在激光的光學(xué)腔內(nèi)引入一種特殊的周期結(jié)構(gòu)，使它能夠從根本上輻射出高質(zhì)量的光束，提高輻射效率，從而使激光器更強(qiáng)大。這項(xiàng)研究的作者稱(chēng)他們的計(jì)劃是“混合的第二和四階布拉格光柵”（相對(duì)于典型的表面發(fā)射激光的二級(jí)布拉格光柵，在近30年的時(shí)間里，二級(jí)布拉格光柵在各種各樣的激光器被廣泛使用）。并且聲稱(chēng)，他們的混合光柵方案并不局限應(yīng)用于太赫茲激光器，對(duì)于廣義的不同波長(zhǎng)的表面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器都能對(duì)其性能進(jìn)行提升。
該報(bào)告討論了具有170毫瓦功率輸出的單片式單模太赫茲激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是迄今為止這類(lèi)激光器最強(qiáng)大的功率輸出。研究結(jié)果表明，所謂的混合光柵能夠通過(guò)在激光腔內(nèi)的印跡光柵的周期性變化，使激光發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光，同時(shí)保持其波束質(zhì)量。Kumar堅(jiān)持認(rèn)為，在未來(lái)的技術(shù)改進(jìn)中，1瓦或者更高水平的功率輸出應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的。而這可能是引起工業(yè)界注意以及實(shí)現(xiàn)太赫茲激光器為基礎(chǔ)的設(shè)備的商業(yè)化的一個(gè)門(mén)檻。
