【导读】Lehigh的光子学和纳米电子中心的研究人员使用新的锁相技术，实现了太赫兹激光器的创纪录的高输出功率，并报告了单波长半导体量子级联激光器的最高辐射效率。
Lehigh的光子学和纳米电子中心的研究人员使用新的锁相技术，实现了太赫兹激光器的创纪录的高输出功率，并报告了单波长半导体量子级联激光器的最高辐射效率。
太赫兹激光器可能很快就会出现。太赫兹激光器发出的辐射沿电磁波谱位于微波和红外光之间，由于其能够穿透常见的包装材料（例如塑料，织物和硬纸板）并被用于识别和检测各种电磁波，对化学物质和生物分子种类，甚至用于对某些类型的生物组织进行成像而不会造成损坏，因此一直是研究的重点。实现太赫兹激光的潜力在于通过提高功率输出和光束质量来提高其强度和亮度。
图：一种用于等离子体激元激光器的锁相方案，其中行进的表面波将表面发射激光器阵列中的多个金属微腔纵向耦合。对于单模太赫兹激光器，证明了多瓦的发射，其中从激光阵列辐射的光子比在阵列中吸收的光子多。
Lehigh大学电气与计算机工程系的副教授Sushil Kumar 和他的研究团队致力于太赫兹半导体“量子级联”激光器（QCL）技术的前沿研究。在2018年，同样隶属于里海大学光子学与纳米电子中心（CPN）的库玛（Kumar）报告了一种简单而有效的技术，它基于一种新型的“分布式反馈”机制来增强单模激光器的功率输出。该结果发表在《自然通讯》杂志上，作为太赫兹QCL技术的一项重大进步而受到了广泛关注。这项工作由包括袁进在内的研究生完成，由Kumar指导，并与Sandia国家实验室合作。
现在，桑迪亚的Kumar，Jin和John L. Reno研究出了太赫兹技术的另一项突破技术：他们已经开发出一种用于等离激元激光器的新型锁相技术，并通过使用该技术实现了太赫兹激光器的创纪录的高功率输出。他们的激光器产生了任何单波长半导体量子级联激光器最高的辐射效率。2020年6月12日在Optica上发表的论文“在单光谱模式下具有2 W输出功率的锁相太赫兹等离子体激元激光器阵列”中对这些结果进行了解释。
Kumar说：“据我们所知，太赫兹激光器的辐射效率是迄今为止任何单波长QCL所展示的最高效率，并且是此类QCL达到50％以上的辐射效率的第一份报告。如此高的辐射效率超出了我们的期望，这也是为什么我们的激光器的输出功率显着高于以前的功率的原因之一。”
为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家们经常利用锁相技术，这是一种电磁控制系统，可以迫使一系列光腔在锁定步骤中发出辐射。太赫兹QCL利用带有金属涂层（覆层）的光腔来限制光，是一类被称为等离子激元激光器的激光器，以其不良的辐射性能而臭名昭著。他们说，现有文献中可用的技术数量有限，可用于大幅提高此类等离激元激光器的辐射效率和输出功率。
Jin说：“我们的论文描述了一种等离子激元激光器的新锁相方案，该方案与先前在大量有关半导体激光器的文献中对锁相激光器的研究明显不同。已证明的方法利用电磁辐射的传播表面波作为等离激元光学腔相锁相的工具。该方法的有效性通过达到太赫兹激光器的创纪录的高输出功率得到了证明，与以前的工作相比，该功率已经提高了一个数量级。”
沿空腔金属层传播但在空腔周围介质内部而不是内部传播的行进表面波是Kumar研究小组近年来开发的一种独特方法，该方法将继续为进一步发展开辟新途径革新。该团队希望他们的激光器的输出功率水平可以促进激光器研究人员和应用科学家之间的合作，以开发太赫兹光谱和基于这些激光器的传感平台。
QCL技术的这项创新是Kuhigh实验室在Lehigh进行长期研究的结果。Kumar和Jin通过大约两年的设计和试验共同开发了最终实现的想法。与桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的里诺（Reno）博士的合作使库玛（Kumar）和他的团队能够接收半导体材料，以形成用于这些激光器的量子级联光学介质。
研究人员认为，这项工作的主要创新在于光腔的设计，该腔在某种程度上与半导体材料的性能无关。他们说，Lehigh CPN 公司新获得的电感耦合等离子体（ICP）蚀刻工具在推动这些激光器的性能极限方面发挥了关键作用。
Kumar说，这项研究代表了如何开发窄光束单波长太赫兹激光器，并且将在未来发展，这是一个范式转变。他补充说：“我认为太赫兹激光器的未来非常光明。”
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