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分布式反馈方法有望实现多瓦太赫兹激光器

发布时间: 2020-06-20 08:54:20   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  太赫兹激光的辐射介于微波和红外线电磁波谱,由于太赫兹激光能够穿透日常包装材料如塑料、布料等,又可以用作各种化学物质和生物分子识别,有时候对某些生物组织成像时还不会造成损伤,所以太赫兹激光一直是密集研究的重点。通过提高功率输出和光束质量,太赫兹激光的强度和亮度也会相应提高,这一点对于完全实现太赫兹激光的潜力至关重要。 

  苏希尔·库马尔(Sushil Kumar)是利哈伊大学电子与计算机工程系的副教授,他和他的研究团队正致力于太赫兹半导体“量子级联”激光器(QCL)技术的前沿领域工作。2018年,同样隶属于利哈伊大学光子学和纳米电子学中心(CPN)的库马尔报告了一种基于新型“分布式反馈”机制的技术,这种技术能够简单高效地提高单模激光器输出功率。该研究结果发表在《自然通讯Nature Communications》杂志上,作为太赫兹量子级联技术的一项重大进展,受到了广泛关注。这项工作由包括袁进在内的研究生在Kumar的监督下,与桑迪亚国家实验室合作完成。 

  现在, Kumar、Jin和John L. Reno研究人员报告了另一项太赫兹技术的突破:他们开发了一种新的等离子激光锁相技术,并通过它的使用,获得了创纪录的太赫兹激光高功率输出。他们的激光为任何单波长半导体量子级联激光器产生了最高的辐射效率。这些研究结果近期发表在Optica杂上,论文题目为“单谱模式输出功率为2w的锁相太赫兹等离子体激光列阵”。 

  Kumar说:“据我们所知,太赫兹激光的辐射效率是迄今为止任何单波长量子级联所能达到的最高水平,也是首次报道这种量子级联的辐射效率超过50%。如此高的辐射效率超出了我们的预期,这也是为什么我们的激光输出功率明显大于以前所获得的功率的原因之一。” 

  为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量,科学家们经常使用相位锁定(phase locking),这是一种电磁控制系统,它迫使一组光腔以锁定的方式发射辐射。太赫兹量子级联利用具有金属涂层(包层)的光学腔进行光约束,这是一类被称为等离子体激光器的激光器,其辐射特性差。他们说,现有文献中可用的技术数量有限,即可用于显著提高此类等离子体激光器的辐射效率和输出功率。 

  “在我们的论文中,我们描述了一种新的等离子体激光器锁相方案,这与以往在半导体激光器方面的大量文献中对锁相激光器的研究截然不同,”Jin说,“该方法利用电磁辐射的行波作为等离子体光腔锁相的工具。该方法的有效性通过太赫兹激光器的高输出功率得到了证明,与以前的工作相比,太赫兹激光器的输出功率增加了一个数量级。” 

  行波表面波沿着空腔的金属层传播,但在空腔的周围介质中传播,而不是在空腔的内部传播,是Kumar研究团队近年来发展起来的一种独特方法,它继续为进一步的创新开辟新的途径。该团队预计,他们激光器的输出功率水平可能实现激光研究人员和应用科学家之间的合作,以开发基于这些激光器的太赫兹光谱和传感平台。 

  量子级联技术的这一创新是Kumar实验室在利哈伊大学长期研究的结果。Kumar和Jin在大约两年的时间里通过设计和实验共同开发了最终实现的想法。与桑迪亚国家实验室的Reno博士的合作使得Kumar和他的团队能够接收半导体材料,从而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学腔的设计,它在某种程度上独立于半导体材料的特性。他们说,在利哈伊大学的利哈伊大学光子学和纳米电子学中心,新获得的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工具在推动这些激光器的性能边界方面发挥了关键作用。 

  Kumar说,这项研究代表了这种单波长窄光束太赫兹激光器的发展模式转变,并将在未来得到发展,他补充说:“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常光明。” 

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