研究人員提出了一種用于等離子體激光器的鎖相方案，在面發(fā)射激光陣列中，行波縱向耦合多個金屬微腔。研究了單模太赫茲激光的多瓦特輻射特性，在這種情況下，從激光列陣輻射的光子比列陣內(nèi)吸收的光子要多。
太赫茲激光是沿著電磁光譜發(fā)射出介于微波和紅外光之間的輻射，由于其穿透塑料、織物等常見包裝材料的能力，一直是研究的重點，以及紙板，用于各種化學(xué)物質(zhì)和生物分子物種的鑒定和檢測，甚至用于對某些類型的生物組織進行成像而不造成損害。實現(xiàn)太赫茲激光對我們的潛力取決于提高其強度和亮度，通過提高功率輸出和光束質(zhì)量來實現(xiàn)。
蘇希爾·庫馬爾（Sushil Kumar）是美國利哈伊大學(xué)電子與計算機工程系的副教授，他和他的研究團隊正致力于太赫茲半導(dǎo)體“量子級聯(lián)”激光器(QCL)技術(shù)的前沿。2018年，同樣隸屬于利哈伊大學(xué)光子學(xué)和納米電子學(xué)中心（CPN）的庫馬爾報告了一種基于新型“分布式反饋”機制提高單模激光器功率輸出的簡單而有效的技術(shù)。研究結(jié)果發(fā)表在《自然通訊Nature Communications》雜志上，作為太赫茲量子級聯(lián)技術(shù)的一項重大進展，受到了廣泛關(guān)注。這項工作由包括袁進在內(nèi)的研究生在Kumar的監(jiān)督下，與桑迪亞國家實驗室合作完成。
現(xiàn)在， Kumar、Jin和John L. Reno研究人員報告了另一項太赫茲技術(shù)的突破：他們開發(fā)了一種新的等離子激光鎖相技術(shù)，并通過它的使用，獲得了創(chuàng)紀錄的太赫茲激光高功率輸出。他們的激光為任何單波長半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器產(chǎn)生了最高的輻射效率。這些研究結(jié)果近期發(fā)表在Optica雜上，論文題目為“單譜模式輸出功率為2w的鎖相太赫茲等離子體激光列陣”。
Kumar說：“據(jù)我們所知，太赫茲激光的輻射效率是迄今為止任何單波長量子級聯(lián)所能達到的最高水平，也是首次報道這種量子級聯(lián)的輻射效率超過50%。如此高的輻射效率超出了我們的預(yù)期，這也是為什么我們的激光輸出功率明顯大于以前所獲得的功率的原因之一?！?/p>
為了提高半導(dǎo)體激光器的光功率輸出和光束質(zhì)量，科學(xué)家們經(jīng)常使用相位鎖定（phase locking），這是一種電磁控制系統(tǒng)，它迫使一組光腔以鎖定的方式發(fā)射輻射。太赫茲量子級聯(lián)利用具有金屬涂層（包層）的光學(xué)腔進行光約束，這是一類被稱為等離子體激光器的激光器，其輻射特性差。他們說，現(xiàn)有文獻中可用的技術(shù)數(shù)量有限，即可用于顯著提高此類等離子體激光器的輻射效率和輸出功率。
“在我們的論文中，我們描述了一種新的等離子體激光器鎖相方案，這與以往在半導(dǎo)體激光器方面的大量文獻中對鎖相激光器的研究截然不同，”Jin說，“該方法利用電磁輻射的行波作為等離子體光腔鎖相的工具。該方法的有效性通過太赫茲激光器的高輸出功率得到了證明，與以前的工作相比，太赫茲激光器的輸出功率增加了一個數(shù)量級?！?/p>
行波表面波沿著空腔的金屬層傳播，但在空腔的周圍介質(zhì)中傳播，而不是在空腔的內(nèi)部傳播，是Kumar研究團隊近年來發(fā)展起來的一種獨特方法，它繼續(xù)為進一步的創(chuàng)新開辟新的途徑。該團隊預(yù)計，他們激光器的輸出功率水平可能實現(xiàn)激光研究人員和應(yīng)用科學(xué)家之間的合作，以開發(fā)基于這些激光器的太赫茲光譜和傳感平臺。
量子級聯(lián)技術(shù)的這一創(chuàng)新是Kumar實驗室在利哈伊大學(xué)長期研究的結(jié)果。Kumar和Jin在大約兩年的時間里通過設(shè)計和實驗共同開發(fā)了最終實現(xiàn)的想法。與桑迪亞國家實驗室的Reno博士的合作使得Kumar和他的團隊能夠接收半導(dǎo)體材料，從而形成用于這些激光器的量子級聯(lián)光學(xué)介質(zhì)。
研究人員認為，這項工作的主要創(chuàng)新在于光學(xué)腔的設(shè)計，它在某種程度上獨立于半導(dǎo)體材料的特性。他們說，在利哈伊大學(xué)的利哈伊大學(xué)光子學(xué)和納米電子學(xué)中心，新獲得的電感耦合等離子體（ICP）刻蝕工具在推動這些激光器的性能邊界方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
Kumar說，這項研究代表了這種單波長窄光束太赫茲激光器的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，并將在未來得到發(fā)展，他補充說：“我認為太赫茲激光器的未來看起來非常光明?！?/p>
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