利用激光器將光束轉(zhuǎn)為強(qiáng)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(guò)五十年的歷史。它的眾多應(yīng)用包括：超快且高通量的數(shù)據(jù)通信、制造業(yè)、外科手術(shù)、條形碼掃描器、打印機(jī)、無(wú)人駕駛技術(shù)和激光投影顯示器。激光還應(yīng)用于原子和分子光譜學(xué)中，可用于各類(lèi)科學(xué)分支和各類(lèi)化學(xué)物質(zhì)與生物分子的檢測(cè)和分析。
圖為太赫茲光子實(shí)驗(yàn)室
激光可依據(jù)其電磁波譜內(nèi)的發(fā)射波長(zhǎng)進(jìn)行分類(lèi)，如激光筆等可見(jiàn)光激光只是其中的一小部分。紅外激光可通過(guò)光纖用于光通信；紫外激光可用于眼科手術(shù)；此外還有太赫茲激光（terahertz laser），這也是里海大學(xué)（Lehigh University）電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授Sushil Kumar研究團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)象。
圖為太赫茲光子實(shí)驗(yàn)室
在電磁波譜中，太赫茲激光發(fā)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(jiàn)的包裝材料，也對(duì)各類(lèi)化學(xué)物質(zhì)的光學(xué)傳感和分析非常有效。這類(lèi)激光（太赫茲激光）有著廣闊的應(yīng)用前景，可用于非破壞性篩查和檢測(cè)包裝好的爆炸物與非法藥物，評(píng)估藥物化合物，篩查皮膚癌，甚至是對(duì)恒星與星系形成的研究。
光譜學(xué)等應(yīng)用要求激光以精確的波長(zhǎng)發(fā)射，這通常是通過(guò)一種被稱為“分布反饋（distributed－feedback）”的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種可發(fā)射精確波長(zhǎng)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(yīng)用將在太赫茲光譜學(xué)中，因此要求單模運(yùn)行對(duì)太赫茲激光器來(lái)說(shuō)尤其重要。目前太赫茲激光器仍處于發(fā)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(yè)可行性條件。
太赫茲輻射在傳播時(shí)會(huì)被大氣濕度所吸收。因此，其關(guān)鍵要求是這類(lèi)激光必須足夠強(qiáng)大，才能用于幾米或更遠(yuǎn)距離的光學(xué)傳感與物質(zhì)分析，而不被吸收。為此，Kumar的研究團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于提高激光的強(qiáng)度和亮度，這在一定程度上可通過(guò)增加光功率輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，最近，由Kumar與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）合作領(lǐng)導(dǎo)的里海大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《自然通訊（Nature Communications）》雜志上發(fā)表了論文，論文報(bào)告了一種提高單模激光器輸出功率的簡(jiǎn)單而有效的技術(shù)，即為“表面發(fā)射（surface－emitting）”（該技術(shù)與那些使用“邊緣發(fā)射”結(jié)構(gòu)的激光器截然不同）。在這兩種類(lèi)型的激光器中，半導(dǎo)體激光器的表面發(fā)射結(jié)構(gòu)為商業(yè)化生產(chǎn)激光器的小型化、封裝和測(cè)試，提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
這項(xiàng)已發(fā)表的研究描述了一種新型技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可在激光器的光學(xué)腔內(nèi)引入特定類(lèi)型的周期性，使它從根本上輻射出高輻射效率的高質(zhì)量光束，從而使激光器更強(qiáng)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(fā)射激光器的二階布拉格光柵不同，在近30年的時(shí)間里，各種各樣的此類(lèi)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(zhǎng)發(fā)射的表面發(fā)射半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，該激光器的功率輸出為170毫瓦（milliwatts），這是迄今為止此類(lèi)激光器中最強(qiáng)大的激光器。研究表明，所謂的混合光柵能夠通過(guò)在激光器腔內(nèi)的刻印光柵的簡(jiǎn)單周期性變化，使激光器發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光，同時(shí)保持波束質(zhì)量。Kumar堅(jiān)持認(rèn)為，他們的技術(shù)在未來(lái)不斷地改進(jìn)中，可以實(shí)現(xiàn)1瓦特及以上的功率水平，只要克服這個(gè)閾值，就能吸引行業(yè)關(guān)注并逐步實(shí)現(xiàn)太赫茲激光儀器的潛在商業(yè)化。
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