麻省理工新型太赫兹激光器性能飞跃式提升

麻省理工学院（MIT）研究人员设计的新一代太赫兹激光器是全球首个同时达到三个关键性能目标的激光器，这三个关键性能分别为：高恒定功率、窄波束模式和宽频率调谐。因此，在化学传感和成像的广泛应用中极具价值。

该优化后激光器可用于即将到来的美国国家航空航天局（NASA）任务中的星际元素探测，该任务旨在了解更多关于我们星系的起源。地球上，高功率光子线激光器还可用于改善皮肤和乳腺癌成像，检测药物和爆炸物等。

该激光器的新颖设计将多个基于半导体的高效线激光器配对，并迫使它们“锁相”或同步振荡。将阵列对的输出组合在一起，产生发散度最小的单个高功率光束。对单个耦合激光器的调整允许宽频率调谐，以提升测量中的分辨率和保真度。研究人员称，实现三个关键性能指标意味着更低的噪音和更高的分辨率，以实现更可靠、更具成本效益的化学检测和医学成像。

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“人们已经在激光器中进行了频率调谐，或制造了具有高光束质量或具有高连续波功率的激光器。但每种设计都缺乏其他两个因素，”本论文第一作者、电子工程和计算机科学研究生Ali Khalatpour表示，“这是我们第一次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现这三个指标。”介绍这款激光器的论文已于2018年12月10日发表在Nature Photonics上。

“就像‘利用一个戒指来统治所有人’一样，”Khalatpour补充道，他利用“指环王”中的流行语来表现新型激光器的特点。

论文的共同作者有MIT电气工程和计算机科学的杰出教授Qing Hu（曾在太赫兹量子级联激光器方面做开创性工作）和桑迪亚国家实验室的John L. Reno。

被NASA选中

去年，NASA宣布了 “银河系/银河系外的超长飞行时间气球光谱太赫兹天文台（GUSTO）”任务，计划在2021年发射搭载光子线激光器的高空气球望远镜，用于探测“星际介质（恒星之间的宇宙物质）”中氧、碳及氮的排放。经过几个月后收集的大量数据，将有助于深入了解恒星的诞生和进化，并帮助绘制更多银河系及附近大麦哲伦星系（Large Magellanic Cloud）等星系的地图。

NASA选择了一种新型半导体太赫兹激光器作为GUSTO化学探测器的组件，来自MIT研究人员的先前设计。它也是目前性能最佳的太赫兹激光器。这种激光器特别适用于太赫兹辐射中氧浓度的光谱测量。太赫兹辐射是微波与可见光之间的电磁波谱带。

太赫兹激光器可向一种材料发射相干辐射，以提取这种材料的光谱“指纹”。不同材料吸收太赫兹辐射的程度不同，这意味着每种材料都有其独特的指纹，显示为谱线。这在1-5太赫兹范围内的探测来说价值尤为突出：对于违禁品检测，海洛因的波谱约为1.42太赫兹和3.94太赫兹，可卡因的波谱约为1.54太赫兹。

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MIT研究人员设计的全球首个同时达到三个关键性能目标的微型太赫兹激光器（图片来源：MIT）

多年来，Hu的实验室长期致力于开发被称为“光子线激光器”的新型量子级联激光器。与许多激光器一样，这些激光器是双向的，即它们向相反方向发射光，这就降低了其功率。在传统激光器中，这个问题可在激光器内精密定位反射镜轻松解决。但这个问题在太赫兹激光器中很难解决，因为太赫兹辐射太长，而激光器又太小，大部分光波都在激光器外传播。

在GUSTO选择的激光器中，研究人员为线激光器波导（控制电磁波在激光器中的传播方式）开发了一种新颖设计——单向发射。该设计实现了高效率并保证了光束质量，但它不能满足NASA的频率调谐要求。

从化学领域获取灵感

在他们先前设计的基础上，Khalatpour从一个意想不到的来源——有机化学中获得了灵感。在MIT上本科时，Khalatpour注意到了一条两边排列着原子的长聚合物链。它们是“pi-bonded”，意思是其分子轨道重叠使键合更稳定。研究人员将“pi-bonded”的概念应用到他们的激光器上，在阵列上本来独立的线激光器之间建立紧密的连接。这种新型耦合方案实现了两个或多个线激光器的锁相。

为了实现频率调谐，研究人员使用微小的“旋钮”来改变每根线激光器的电流，轻微改变光通过激光器的方式（这被称为折射率）。将这种折射率的变化应用于耦合激光器时，就会产生连续的频移到耦合激光器的中心频率。

在实验中，研究人员制造出由10个pi耦合线激光器组成的阵列。该激光器在约10千兆赫范围内进行连续频率调谐，输出功率约为50至90毫瓦，具体功率取决于阵列上有多少对pi耦合激光器。其光束发散度很低，只有10度，这是测量光束偏离焦点的距离。

研究人员目前还在构建一款动态范围大于110分贝的高动态范围成像系统，该系统可用于皮肤癌成像等多种应用。皮肤的癌细胞会比健康细胞更强烈地吸收太赫兹波，因此太赫兹激光器有可能探测到它们。以往用于这项任务的激光器体积大、效率低且频率不可调谐。研究人员新开发的芯片尺寸器件不仅在输出功率上匹配或超过了那些激光器，还提供了调谐功能。

Khalatpour说：“拥有具有这些性能指标的平台，可显著提升成像能力并扩展其应用。”

加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles）物理与波电子学副教授Benjamin Williams表示：“这是一项非常出色的研究成果，在太赫兹波段一般情况下很难从同时具有良好光束模式的激光器中获得高功率。该技术的创新是他们开发出一种将多个线激光器连接在一起的新方法。如果阵列中的所有激光器不以相位辐射，那么光束模式就会被破坏，这本来是很棘手的问题。该研究已证明，通过适当地间隔相邻的线激光器，可诱导它们“想要”在相干的对称超模式运行——这些所有超模式均为同步辐射。另外，还有一个优势是激光频率可调谐到所需波长——这是光谱学和天体物理学研究需要的的重要特性。”（来源：麦姆斯咨询）

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