多瓦太赫兹激光器研究方面获得突破

太赫兹激光器很快将迎来它们的辉煌时刻，太赫兹激光器的辐射位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。

理海大学电子与计算机工程系的副教授Sushil Kumar和他的研究团队正在太赫兹半导体“量子级联”激光(QCL)技术的前沿领域工作。2018年，同样隶属于理海光子学和纳米电子中心(CPN)的库马尔报告了一种基于新型“分布反馈”机制的简单而有效的提高单模激光器功率输出的技术。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上，作为太赫兹QCL技术的重大进展，受到了广泛关注。这项工作是由包括袁进在内的研究生完成的，由库马尔指导并与桑迪亚国家实验室合作。

现在，Sandia的Kumar、Jin和John L. Reno报道了另一项太赫兹技术的突破：他们为等离子体激光器开发了一种新的锁相技术，通过这种技术的使用，太赫兹激光器实现了创记录的高功率输出。他们的激光器在单波长半导体量子级联激光器中产生了最高的辐射效率。这些结果在昨天发表在Optica的一篇论文中得到了解释，“单频模式下输出功率为2w的锁相太赫兹等离子体激光阵列”。

库马尔说：“据我们所知，我们的太赫兹激光器的辐射效率是迄今为止所有单波长QCL中最高的，也是第一次报道这种QCL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器的输出功率大大高于之前所取得的成果的原因之一。”

为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家们经常使用锁相技术。锁相是一种电磁控制系统，可以迫使一组光腔以同步同步的方式发射辐射。太赫兹QCLs是一种利用带有金属涂层(包层)的光腔进行光约束的激光器，是一种被称为等离子体激光器的激光器，其辐射性能很差。他们说，在以前的文献中，只有有限的几种技术可以用来大幅度提高等离子体激光器的辐射效率和输出功率。

金说:“我们的论文描述了一种新的等离子体激光器锁相方案，它与之前大量半导体激光器文献中锁相激光器的研究明显不同。”该方法利用电磁辐射的行波作为等离子体光学腔锁相的工具。这种方法的有效性是通过对太赫兹激光器实现创纪录的高输出功率来证明的，这比以前的工作提高了一个数量级。

通过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，而不是在空腔内部，这是库马尔的团队近年来开发的一种独特的方法，并继续为进一步的创新开辟新的途径。该团队希望他们的激光器的输出功率水平能够促使激光研究人员和应用科学家合作开发太赫兹光谱学和基于这些激光器的传感平台。

这项QCL技术的创新是库玛实验室长期研究努力的结果。库马尔和金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。通过与桑迪亚国家实验室的里诺博士的合作，库马尔和他的团队获得了半导体材料，从而形成了用于这些激光器的量子级联光学介质。

据研究人员称，这项工作的主要创新在于光学腔的设计，这在一定程度上独立于半导体材料的特性。他们说，利哈伊的CPN公司新获得的电感耦合等离子(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。

这项研究代表了窄光束单波长太赫兹激光器的发展模式的转变，并且将在未来继续发展，Kumar说，“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常光明。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-06-breakthrough-multi-watt-terahertz-lasers.html