理海大学利用太赫兹半导体激光器输出创纪录功率的信号

从左到右：研究人员理海（Lehigh）大学电子与计算机工程系研究生JiChen，LiangGao和YuanJin在理海大学Sinclair大楼的SushilKumar的太赫兹光子实验室工作。图片来源:Sushil Kumar, 理海大学

将光嵌入强烈的单色辐射激光的技术，在五十多年来，已经彻底的改变了我们的生活与工作方式。它的许多应用包括超快及高容量数据通信、制造业、外科手术、条形码扫描器、打印机、自动驾驶技术和惊艳的激光显示器。激光在不同科学分支都需要的原子和分子光谱中有着重要的应用，而在化学物质和生物分子的检测分析中，激光技术也同样起着重要作用。

激光可以根据其在电磁波谱内的波长进行分类，可见光激光器——比如激光笔——只是其中的一小部分应用。红外线激光器借助光纤可被用于进行光通信。紫外线激光可用于眼科手术。除此之外还有太赫兹激光器，这也是理海大学电子和计算机工程系副教授SushilKumar研究小组正在研究的对象。

在电磁波谱中，太赫兹激光器发出的辐射位于微波和红外光之间。它们的辐射可以穿透塑料、织物和纸板等常见的包装材料，而且在光学传感和各种化学物质的分析方面也非常有效。这些激光器可用于非破坏性的筛选和检测包装爆炸物和非法药物，对药物化合物的评估，对皮肤癌的筛查，甚至是对恒星和星系形成的研究。

光谱学等应用要求激光以精确的波长发射辐射，这通常是通过一种被称为“分布式反馈”的技术来实现。这种装置被称为单模激光器。对于太赫兹激光器而言，单模工作至关重要，因为它们最重要的应用包括太赫兹光谱技术。太赫兹激光器目前仍处于发展阶段，世界各地的研究人员正试图改善它们的性能特征，以满足使其具有商业可行性的条件。

图片来源：Sushil Kumar, Lehigh University

顶部：一张扫描电子显微镜的图像，这是一个带有混合光栅结构的高功率表面激励的太赫兹半导体激光。多激光器是在砷化镓半导体芯片上面制造，每一个激光器大约有1.5毫米长，10微米厚，宽度在0.1到0.2毫米之间。底部：在工作中的太赫兹激光器的插图。激光器的半导体材料夹在顶部和底部的金属层之间。在最上面的金属层中，有一个周期性的光栅，光可以从中透过。二、四阶的布拉格光栅（表现为单双缝的交替）的相互作用，会导致交替周期的周期结构产生强烈的辐射，这些辐射会在表面法线方向相干性的结合成高质量的单瓣光栅。

当太赫兹波传播时，它会被大气里的水汽吸收，因此，这种激光器的一个关键要求就是能产生一束密集的光束，这样它就可以用于光学传感和分析，而这些被分析的物质往往保持在距离几米或更远的距离，所以密集的光才不会被大气吸收。为此，Kumar的研究团队专注于提高强度和亮度，部分通过提高光功率输出来实现。

在最近发表在自然通讯杂志上的一篇论文中，由Kumar与Sandia国家实验室合作领导的理海大学团队报告了一种简单而有效的技术，以提高单模激光器的输出功率，即“表面发射”（相对于那些使用“边缘发射”结构的激光器）。在这两种类型中，半导体激光器的表面发射结构为商业化生产激光器的小型化、封装和测试提供了独特的优势。

已发表的研究描述了一种新的技术，在激光的光学腔内引入一种特殊的周期结构，使它能够从根本上辐射出高质量的光束，提高辐射效率，从而使激光器更强大。这项研究的作者称他们的计划是“混合的第二和四阶布拉格光栅”（相对于典型的表面发射激光的二级布拉格光栅，在近30年的时间里，二级布拉格光栅在各种各样的激光器被广泛使用）。并且声称，他们的混合光栅方案并不局限应用于太赫兹激光器，对于广义的不同波长的表面发射的半导体激光器都能对其性能进行提升。

该报告讨论了具有170毫瓦功率输出的单片式单模太赫兹激光器的实验结果，这是迄今为止这类激光器最强大的功率输出。研究结果表明，所谓的混合光栅能够通过在激光腔内的印迹光栅的周期性变化，使激光发射出特定波长的激光，同时保持其波束质量。Kumar坚持认为，在未来的技术改进中，1瓦或者更高水平的功率输出应该是可以实现的。而这可能是引起工业界注意以及实现太赫兹激光器为基础的设备的商业化的一个门槛。