微型太赫茲激光器或成為醫療、工業成像和化學檢測領域巨大幫手

在電磁光譜上，位於微波和可見光中間的部分，被稱為太赫茲輻射波（THz，1012Hz），它在工業成像和化學檢測領域顯現出了廣泛的應用前景。但是，這些可行的應用絕大部分都需要一個體型小巧且供能效率極高的太赫茲激光源，而傳統的供能方法十分笨重，且消耗大量能量。

近二十年來，麻省理工學院電子工程與計算機科學系的胡清教授和他的研究小組一直致力於研究可以鑲嵌在微型晶元上的太赫茲激光源。就在最新一期的《自然光子學》雜誌（Nature Photonics）上，來自桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）和多倫多大學（University of Toronto）的小組成員們揭露了一款可提高80%功率輸出的太赫茲激光器的設計細節。

蒼天不負有心人，由於他們的設計在各方面表現都十分突出，該小組被NASA聘去為GUSTO項目提供太赫茲激光源。GUSTO項目的成立是為了探究星際介質的組成部分，而聘請他們的原因則是太赫茲激光可以從光譜學的角度來測量出氧氣的含量。由於這個項目需要向地球的高空大氣層中部署裝滿工具的氣球，所以太赫茲激光源一定要輕盈易攜帶。研究小組的新型設計是分布反饋式量子級聯激光器的改裝版本。「這是最好的一個切入點，所以我們就從這裡著手了。」MIT電子工程與計算機科學系的研究生、報告的首席作者Ali Khalatpour這樣說，「它能讓太赫茲激光擁有最佳的表現。」

但是，目前這個裝置有一個很大的不利條件，它總會自動的向兩個相反的方向發射激光，而幾乎所有對太赫茲激光的應用都是需要一個集中的激光源。這個缺陷就意味著有至少一半的能源是被無端浪費掉的。對此，Ali Khalatpour和他的同事們想出了一個辦法，它可以將80%向錯誤方向發射的激光導向至正確的方向。

圖丨一種新技術將裝有微型晶元的太赫茲激光器的功率輸出提高了88％

據Khalatpour解釋道，他們的設計成果不牽扯到任何特殊的增益介質，也沒有對激光體本身的構成材料進行任何改變。「如果我們能夠研究出一種更好的增益介質，我們可以輕易的將輸出的能量加到原本的兩倍。」Khalatpour說，「而正因為此，我們所取得突破是十分可貴的。一般來說，如果想要將輸出功率提升10%就需要進行大量的改造工作。」

事實上，前文中提到的激光的雙向發射，是一種在絕大部分頻率激光中都存在的自然現象。對於一般的激光來說，只需在尾部加入幾面鏡子進行反射就可以糾正它發射的方向了。而對於太赫茲激光來說，由於它的波長太長，而研究員們想要合成的激光——光激性線性激光的波長又很短，所以如果只加入幾面鏡子進行反射的話，反射回來的只是原本激光所攜帶能量的一小部分，造成大量浪費。

為了解決這個問題，Khalatpour和他的同事們決定引入一個新型激光的設計。一個量子級聯激光擁有一個很長的、矩形的波導。在波導內，電場會隨波導的長度來引起一段電磁波，這就是所謂的「駐波」。這時，小組成員想到，由於電磁波是波紋狀的，所以它會與相反方向的電磁波完全重合。由於駐波是一個惰性的電波，一般只在波導內活動。因此胡青教授和他的小組成員會人工的在波導里增添裂縫，以便於太赫茲激光衝出波導。「就好比在水管上鑽個洞一樣，水管中的水會噴出來。」Khalatpour說。裂縫被放置在特定的地方，即只沿著波導的坐標軸放置，這樣可以使波段重合以增強激光強度。

Khalatpour和報告的副作者、桑迪亞國家實驗室的John Reno以及多倫多大學材料科學系教授Nazir Kherani，在新一輪的工作中將反射器對應的放在了波導裂縫的後面，這一步驟可以與波導的產出過程進行無縫銜接。反射器較波導來說體型稍寬一些，它會將一段的激光強度增強，而將另一端的抵消。有一些在波導外部的太赫茲激光會回到反射其中，但是此裝置將80%另一端激光的能量導向了正確的方向。

「他們有一種特殊的太赫茲量子級聯激光，稱為三等分布反饋式激光，目前是最為有效的一種產生高集中激光束的方式，它所產出的能量可以被應用，也可以與單頻激光手術相配合，而且在光譜學上也有很大的應用價值。」加州大學伯克利分校電子與計算機工程系副教授Ben Williams這樣說，「這是過去5、6年內最為有效的方式，但是胡青教授的研究小組的設計所牽扯到的問題是，所產生激光的能量還是會從兩端泄露出去。」

「想要製造出太赫茲激光是一件和困難的事情，而他們卻將其中一半的能量給浪費了，這不能稱得上是一個很好的結果。」Ben Williams說，「他們所用的方式，即迫使那些錯誤方向的激光返回到正確的方向上是一種十分可行的方法。他們仍然擁有一個很高質量的激光束，但是他們還是需要更加完善激光束整體的表現。」

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