等離子體激光器由于其本身的亞波長金屬腔而經(jīng)受著低輸出功率和光束發(fā)散的 困擾。來自里海大學(xué)的研究人員發(fā)展了一個(gè)稱之為鎖相的方案，可以顯著的提高激光的發(fā)射效率和改善光束質(zhì)量。陣列的金屬微腔穿過等離子體波而實(shí)現(xiàn)縱向地耦合，從而導(dǎo)致單個(gè)光譜模的發(fā)射和衍射局限在表面法線方向形成單瓣光束。研究人員將這一方案應(yīng)用于太赫茲等離子體量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum-cascade lasers (QCLs) ）和測(cè)量峰值功率超過2W的單模 3.3THz QCL在窄單瓣光束時(shí)的發(fā)射，條件為運(yùn)行溫度為58K時(shí)的緊湊型斯特林制冷機(jī)。同早期的工作相比較，研究人員展示了在功率上可以有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加和至少30倍高的平均功率強(qiáng)度的單模太赫茲QCLs存在。從微腔發(fā)射的光子數(shù)量和半導(dǎo)體介質(zhì)來看，同早期的單模中紅外或太赫茲QCLs相比，有至少 >50%的發(fā)射效率和顯著的增加。

等離子體激光器采用鎖相方案，其表面波縱向的同幾個(gè)金屬微腔在表面發(fā)射的激光陣列光纖進(jìn)行耦合

圖解：圖片展示的是單模太赫茲激光器的多瓦發(fā)射，此時(shí)有較多的光子從激光陣列進(jìn)行發(fā)射

太赫茲激光很快就有機(jī)會(huì)走向更廣闊的應(yīng)用。太赫茲發(fā)射的激光位于微波和紅外波長之間，屬于電磁光譜的范圍。太赫茲一直受到廣泛關(guān)注，其原因是太赫茲有穿透普通包裝材料，如塑料、織物、布料、硬紙板等等的能力，常常用來識(shí)別和探測(cè)不同的化學(xué)物質(zhì)和生物分子物種。甚至用來在不對(duì)物體產(chǎn)生損壞的條件下進(jìn)行生物組織類別的影像識(shí)別。為了能夠充分發(fā)揮 太赫茲激光器的效用，就需要進(jìn)一步的提高它的強(qiáng)度和亮度，而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就需要提高太赫茲激光設(shè)備的輸出功率和光束質(zhì)量。

早在2018年里海大學(xué)的研究人員曾經(jīng)發(fā)展了一種簡(jiǎn)單而有效的技術(shù)來提高單模激光的輸出功率，是基于一種稱之為分布式反饋的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。這一技術(shù)發(fā)表在期刊《Nature Communication》上，并且作為太赫茲QCL技術(shù)的重要進(jìn)展而獲得了極大的關(guān)注。

如今，同樣來自里海大學(xué)的研究人員則報(bào)道了另外一個(gè)在太赫茲方面的重要突破，他們采用一種新的鎖相技術(shù)來發(fā)展等離子體激光，通過該應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的高功率太赫茲激光的輸出。他們研制出來的激光可以產(chǎn)生最高的發(fā)射效率，并且對(duì)任何單波長半導(dǎo)體激光量子級(jí)聯(lián)激光器都適用。這一技術(shù)以論文題目為"Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode"發(fā)表在今日出版的期刊《Optica》上。

據(jù)論文作者認(rèn)為：他們目前研制的太赫茲激光器的發(fā)射效率是當(dāng)今任何單波長QCL激光器中最高的，同時(shí)這個(gè)公開報(bào)道的發(fā)射效率超過50%的QCL 。這一高效率可以說超過了研究人員一開始的預(yù)期，這也是為什么他們研制的激光器的輸出功率會(huì)顯著的高出以前的激光器的原因。

為了提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量，科學(xué)家經(jīng)常會(huì)利用鎖相技術(shù)，這是一種電磁控制技術(shù)，強(qiáng)制光學(xué)微腔的陣列在同步的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)發(fā)射輻射。太赫茲激光，是在光學(xué)微腔金屬涂層上進(jìn)行光束的限制，這就是一種稱之為等離子激光器的激光之所以存在低的發(fā)射效率的原因，所以該激光器臭名昭著。同時(shí)在前期的文獻(xiàn)中也只存在非常少的技術(shù)關(guān)于可以提高等離子激光器發(fā)射效率和輸出功率這方面的技術(shù)。

里海大學(xué)這次發(fā)表的一種用于等離子激光的鎖相技同早期的鎖相技術(shù)顯著不同，該技術(shù)是利用電磁發(fā)射的表面波的旅行作為等離子光學(xué)微腔的工具。該方法的效率經(jīng)過證明可以實(shí)現(xiàn)太赫茲激光創(chuàng)記錄的高輸出功率，同時(shí)同以前的結(jié)果相比較，增加了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。這一技術(shù)將在科研和工業(yè)中的太赫茲光譜和傳感上大有用途。

這一技術(shù)的關(guān)鍵在于光學(xué)微腔的設(shè)計(jì)，這是獨(dú)立于半導(dǎo)體材料性質(zhì)的。這一新的技術(shù)需要感應(yīng)耦合等離子體（ICP，分析測(cè)試中的一種）蝕刻，它扮演著實(shí)現(xiàn)這類激光器的性能邊界的關(guān)鍵。

這一研究報(bào)道可以說 是單波長太赫茲激光的范式轉(zhuǎn)變，窄的光束將會(huì)得到發(fā)展和在將來繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)研究者認(rèn)為在將來太赫茲的前途非常光明。

從左到右邊：Lehigh University（里海大學(xué)）的太赫茲光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)部分成員： Ji Chen, Liang Gao和 Yuan Jin（本文作者之一）

在太赫茲等離子體激光器，使用兩塊金屬薄膜來封閉激光諧振腔（在上面的一塊金屬薄膜中開周期性的狹縫），顏色表示相干SPP光波。其中一個(gè)光波被限制在10微米的波腔內(nèi)。另外一個(gè)光波在空間范圍內(nèi)比較大，位于腔體的頂端。

高功率表面發(fā)射的混合光柵高功率表面發(fā)射半導(dǎo)體太赫茲激光的SEM照片

太赫茲的用途：可以快速測(cè)量藥物中的成分或者對(duì)患者的皮膚組織進(jìn)行分類的便攜式掃描儀、在化學(xué)傳感和成像的廣泛應(yīng)用中極具價(jià)值、在太空中進(jìn)行星際元素探測(cè)，旨在了解更多關(guān)于我們星系的起源。地球上，高功率光子線激光器還可用于改善皮膚和乳腺癌成像，檢測(cè)藥物和爆炸物等。 生物、化學(xué)傳感、光譜、炸藥，以及對(duì)違禁材料、檢測(cè)疾病的診斷，藥物的質(zhì)量控制，甚至在遙感天文學(xué)方面以了解恒星和星系的形成。這些都是相當(dāng)酷的東西，會(huì)給人留下深刻的印象。

參考文獻(xiàn)：

Lehigh University、Yuan Jin et al. High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03697-9；

文章來源：Yuan Jin, John L. Reno, and Sushil Kuma, Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode, Optica (2020). DOI: 10.1364/OPTICA.390852，Vol. 7, Issue 6, pp. 708-715 (2020)