美學者在太赫茲激光器研究實現重大突破

利用激光器將光束轉為強烈的單色輻射光，徹底改變了我們的生活及工作方式，已有超過五十年的歷史。它的眾多應用包括：超快且高通量的數據通信、制造業、外科手術、條形碼掃描器、打印機、無人駕駛技術和激光投影顯示器。激光還應用于原子和分子光譜學中，可用于各類科學分支和各類化學物質與生物分子的檢測和分析。

激光可依據其電磁波譜內的發射波長進行分類，如激光筆等可見光激光只是其中的一小部分。紅外激光可通過光纖用于光通信；紫外激光可用于眼科手術；此外還有太赫茲激光（terahertz laser），這也是里海大學（Lehigh University）電子與計算機工程學院副教授Sushil Kumar研究團隊的研究對象。

在電磁波譜中，太赫茲激光發出的輻射位于微波與紅外光之間。其輻射既可以穿透如塑料、纖維織物和硬紙板等常見的包裝材料，也對各類化學物質的光學傳感和分析非常有效。這類激光（太赫茲激光）有著廣闊的應用前景，可用于非破壞性篩查和檢測包裝好的爆炸物與非法藥物，評估藥物化合物，篩查皮膚癌，甚至是對恒星與星系形成的研究。

光譜學等應用要求激光以精確的波長發射，這通常是通過一種被稱為“分布反饋（distributed－feedback）”的技術來實現的。這種可發射精確波長的器件被稱為單模激光器（single－mode lasers）。由于太赫茲激光器最重要的應用將在太赫茲光譜學中，因此要求單模運行對太赫茲激光器來說尤其重要。目前太赫茲激光器仍處于發展階段，世界各地的研究人員正試圖改善其性能特征，以使其滿足商業可行性條件。

太赫茲輻射在傳播時會被大氣濕度所吸收。因此，其關鍵要求是這類激光必須足夠強大，才能用于幾米或更遠距離的光學傳感與物質分析，而不被吸收。為此，Kumar的研究團隊專注于提高激光的強度和亮度，這在一定程度上可通過增加光功率輸出來實現。

據麥姆斯咨詢報道，最近，由Kumar與Sandia國家實驗室（Sandia National Laboratories）合作領導的里海大學團隊在《自然通訊（Nature Communications）》雜志上發表了論文，論文報告了一種提高單模激光器輸出功率的簡單而有效的技術，即為“表面發射（surface－emitting）”（該技術與那些使用“邊緣發射”結構的激光器截然不同）。在這兩種類型的激光器中，半導體激光器的表面發射結構為商業化生產激光器的小型化、封裝和測試，提供了獨特的優勢。

這項已發表的研究描述了一種新型技術，通過該技術可在激光器的光學腔內引入特定類型的周期性，使它從根本上輻射出高輻射效率的高質量光束，從而使激光器更強大。研究中稱其方案為“混合了二、四階的布拉格光柵（hybrid second－ and fourth－order Bragg grating）”（這與典型的表面發射激光器的二階布拉格光柵不同，在近30年的時間里，各種各樣的此類激光器已被廣泛使用）。研究者聲稱他們的混合光柵方案并不局限于太赫茲激光器，并且這種方案有可能提高廣泛的以不同波長發射的表面發射半導體激光器的性能。

該研究討論了單片單模太赫茲激光器的實驗結果，該激光器的功率輸出為170毫瓦（milliwatts），這是迄今為止此類激光器中最強大的激光器。研究表明，所謂的混合光柵能夠通過在激光器腔內的刻印光柵的簡單周期性變化，使激光器發射出特定波長的激光，同時保持波束質量。Kumar堅持認為，他們的技術在未來不斷地改進中，可以實現1瓦特及以上的功率水平，只要克服這個閾值，就能吸引行業關注并逐步實現太赫茲激光儀器的潛在商業化。