在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）亨利塞繆爾工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種制備太赫茲頻率半導(dǎo)體激光器的新方法。該課題組的論文《超材料腔表面激光器》已于近日發(fā)表在2015年最后一期《應(yīng)用物理快報》期刊上(Luyao Xu et al, ’metasurface external cavity laser’, Appl. Phys. Lett. 107, 221105 (2015))。
UCLA電子工程系副教授本杰明·威廉姆斯帶領(lǐng)的團(tuán)隊（包括諾斯羅普·格魯曼公司航空航天系統(tǒng)的工程師），借助于UCLA的納米電子研究設(shè)施，成功研發(fā)了第一個太赫茲垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。目前可見光波長范圍內(nèi)的VECSEL已經(jīng)廣泛用于發(fā)射高能光束，但在太赫茲頻率范圍內(nèi)則之前未有應(yīng)用。
太赫茲頻率范圍內(nèi)的光波（處于微波和紅外線的電磁頻譜之間），可用于分析塑料、織物、半導(dǎo)體和藝術(shù)品，且不會損壞被檢測的材料；化學(xué)檢測和鑒定；研究行星的組成和大氣組分。研究人員說，該新裝置可作為一類新型高品質(zhì)的激光器，用于空間探索，軍事和安檢等方面。
為了制備具有高品質(zhì)光束的外腔激光器，研究人員先制備了一個帶有“超材料表面鏡反射陣”的 VECSEL，它包括許多小天線耦合激光腔的陣列，當(dāng)太赫茲波擊中陣列時，它不會“看見”空腔，而是被反射，如同被一個簡單的平面鏡所反射。不同于簡單的平面鏡，該反射鏡不僅可以反射太赫茲波，同時還能對其進(jìn)行放大。
圖 不同于簡單的平面鏡，該反射鏡不僅可以反射太赫茲波，還能對其進(jìn)行放大。
“這是超材料表面和激光器的首次結(jié)合，”威廉姆斯說，“該VECSEL提供了一條在太赫茲波段輸出高功率、高質(zhì)量光束的途徑，且該超材料表面的方法還有利于工程師進(jìn)一步設(shè)計具有特定偏振、形狀和光譜性質(zhì)的輸出光束。”
發(fā)射出對稱的、長距離保持直線的和隨溫度變化的光束是許多半導(dǎo)體激光器尤其是太赫茲量子級聯(lián)激光器的一大挑戰(zhàn)，太赫茲量子級聯(lián)激光器通常使用金屬激光腔，其尺寸比波長更小。
“通過使用該放大的超材料表面作為外腔的一部分，我們不僅可以改善光束模式，而且可以通過激光器腔體的不同設(shè)計引入新的功能。” 威廉斯實驗室的研究生，該文章第一作者許路遙說，“例如，通過使用一個獨立的線柵偏振器或過濾器作為第二反射鏡，我們就可以簡單地通過旋轉(zhuǎn)偏振器來優(yōu)化激光器的輸出功率和效率。”研究人員稱他們正在做一些新的設(shè)計，來進(jìn)一步改進(jìn)該技術(shù)。
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