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聯(lián)激光器（quantum-cascade lasers (QCLs) ）和測量峰值功率超過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，常常用來識別和探測不同的化學(xué)物質(zhì)和生物分子物種。甚至用來在不對物體產(chǎn)生損壞的條件下進(jìn)行生物組織類別的影像識別。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，并且對任何單波長半導(dǎo)體激光量子級聯(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。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：可以快速測量藥物中的成分或者對患者的皮膚組織進(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，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，檢測藥物和爆炸物等。 生物、化學(xué)傳感、光譜、炸藥，以及對違禁材料、檢測疾病的診斷，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)