3毫米乘1.5毫米的半導(dǎo)體激光芯片上有10個激光器。左圖為原始大小，右圖是用掃描電鏡看到的一個諧振腔。圖中可見起分布式反饋作用的薄金屬片光柵。圖片來源: Sushil Kumar

 

激光自1960年問世至今，已經(jīng)極大改變了我們的生活，它的應(yīng)用涉及了生活中的方方面面：激光掃描儀、激光打印機(jī)、激光手術(shù)刀、激光光盤、激光通信等等。

激光發(fā)射自激光器。激光器核心——激光源可以是氣體（氣體激光器）也可以是固體（固體激光器）。激光可以有不同的色彩（波長）——從X射線激光（短波長）到可見光激光到遠(yuǎn)紅外激光（長波長）。激光器可以像房子一樣大（自由電子激光器）也可以握在掌中（半導(dǎo)體二極管激光器）。

在過去十年里，研究人員一直致力于激光器的小型化。目前，激光器小型化的熱點已經(jīng)轉(zhuǎn)向了納米激光器，而等離子激光器又是納米激光器中體積最小的。

計算機(jī)和電子工程副教授蘇施·庫馬爾（Sushil Kumar）稱，等離子激光器的原理是：用金屬薄片或納米金屬顆粒將光能約束在諧振腔中，激光自諧振腔發(fā)出。等離子激光器如此袖珍的秘訣在于：諧振腔內(nèi)的金屬薄片或納米金屬顆粒產(chǎn)生了表面等離子體激元（surfaceplasmon polaritons (SPPs)）效應(yīng)，借此效應(yīng)，激光光子可以在比激光波長還小的空間內(nèi)產(chǎn)生。

等離子體激光器的這種特性使得其成為光學(xué)集成芯片的理想選擇，這些芯片可以進(jìn)行超快速數(shù)字信號處理。

但是，在等離子激光實用化之前，還有很多技術(shù)難關(guān)需要攻克。庫馬爾稱，難點在于讓光子從極小的腔體中發(fā)射出來。其次，即使光子能夠出來，它們也發(fā)散得非常厲害。這使得等離子激光沒什么實用價值。

之前的等離子激光器大多發(fā)射可見光和近紅外激光。庫馬爾團(tuán)隊的等離子激光器則發(fā)射波長較長的太赫茲（1012赫茲）波段激光，因此也稱太赫茲量子級聯(lián)激光器（terahertz quantum-cascade lasers，QCL）。該團(tuán)隊的等離子激光器能發(fā)射目前最強(qiáng)的太赫茲激光，它可以被用于生物醫(yī)藥、分子譜分析、安檢以及天文和大氣科學(xué)領(lǐng)域。

然而，太赫茲量子級聯(lián)激光器同樣飽受光束散焦的困擾。庫馬爾團(tuán)隊發(fā)明了一種稱為分布式反饋的方法來聚焦波束，借此獲得波長為100微米的長波激光。儲存激光能量的諧振腔由間距10微米的兩塊金屬板組成，長、寬、高分別為10微米、100微米和1400微米。該系統(tǒng)的太赫茲激光波束寬度只有4度乘4度，是目前波束最窄的太赫茲激光。

庫馬爾在該項目上花費了4年的時間，最近他和他的團(tuán)隊成員——電子工程系博士生吳重兆（Chongzhao Wu，音譯）、蘇迪普·卡納爾（Sudeep Khanal）和新墨西哥桑迪亞國家實驗室納米集成技術(shù)中心的約翰·L·雷諾（John L. Reno）在美國光學(xué)協(xié)會的《光學(xué)》（Optica）期刊發(fā)表了文章《極窄波束太赫茲等離子激光器》。

基于光柵的分布式反饋

1970年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)激光器諧振腔中的光柵通過布拉格散射，可以提供反饋，穩(wěn)定激光器的震蕩，進(jìn)而讓激光頻率固定在一個值。這是分布式反饋的最早引入。

引入光柵的好處有二：一是可以穩(wěn)定激光頻率，濾去頻率不符合要求的光子。二則是光柵還可以聚焦光束。聚焦后的光束可以遠(yuǎn)距離傳輸和引導(dǎo)到另一處。