微小的太赫茲激光可用于成像

太赫茲輻射 - 微波和可見光之間的電磁波譜帶 - 在醫療和工業成像以及化學檢測等領域具有廣闊的應用前景。

但是這些應用中的許多依賴于小的，功率效率高的太赫茲光源，并且制造它們的標準方法涉及笨重，耗電的桌面裝置。

20多年來，麻省理工學院電氣工程和計算機科學的著名教授胡慶和他的團隊一直在研究可以蝕刻到微芯片上的太赫茲輻射源。在最新一期的“ 自然光子學 ” 雜志上，胡氏集團的成員以及桑迪亞國家實驗室和多倫多大學的同事們描述了一種新穎的設計，將芯片安裝的太赫茲激光器的功率輸出提高了80%。

作為迄今為止報道的性能最佳的貼片太赫茲光源，研究人員的設備已被NASA選中為其銀河系/河外ULDB光譜太赫茲天文臺(GUSTO)任務提供太赫茲發射。該任務旨在確定星際介質的組成，或填充恒星之間空間的物質，并且它使用太赫茲光線，因為它們非常適合光譜測量氧氣濃度。因為任務將把裝滿儀器的氣球部署到地球的高層大氣層，所以太赫茲發射器需要重量輕。

研究人員的設計是一種稱為量子級聯激光器的設備的新變種，具有分布式反饋。“我們從這開始，因為它是那里最好的，”電子工程和計算機科學研究生，論文第一作者Ali Khalatpour說。“它具有太赫茲的最佳性能。”

然而，到目前為止，該裝置具有一個主要缺點，即它在兩個相反的方向上自然地發射輻射。由于太赫茲輻射的大多數應用需要定向光，這意味著該裝置會浪費其一半的能量輸出。Khalatpour和他的同事找到了一種方法來重定向通常從激光背面射出的80%的光，使其沿所需的方向傳播。

正如Khalatpour所解釋的那樣，研究人員的設計與激光體內任何特定的“增益介質”或材料組合無關。

“如果我們想出一個更好的增益媒介，我們也可以將其輸出功率提高一倍，”Khalatpour說。“我們在沒有設計新的活性介質的情況下增加了功率，這非常困難。通常，即使增加10%，也需要在設計的各個方面進行大量工作。“

大浪

實際上，雙向發射或相反方向的光發射是許多激光器設計的共同特征。然而，對于傳統的激光器，通過在激光器的一端放置鏡子可以很容易地解決這個問題。

但太赫茲輻射的波長很長，而研究人員的新型激光器(稱為光子線激光器)非常小，因此激光長度的大部分電磁波實際上位于激光體外。激光一端的鏡子會反射出波浪總能量的一小部分。

Khalatpour和他的同事們對這個問題的解決方案充分體現了微型激光器的設計特點。量子級聯激光器由稱為波導的長矩形脊組成。在波導中，布置材料使得施加電場沿波導的長度感應電磁波。

然而，這波被稱為“駐波”。如果電磁波可以被認為是一個規則的上下波動，那么波在波導中來回反射，使得波峰和反射波谷與波浪向相反方向移動的波谷完全吻合。駐波基本上是惰性的并且不會從波導中輻射出來。

因此，Hu的團隊在波導中切割出規則間隔的狹縫，這使得太赫茲光線能夠向外輻射。“想象一下，你有一個管道，你打了一個洞，水就會流出來，”Khalatpour說。狹縫間隔開，使得它們發射的波彼此加強 - 它們的波峰重合 - 僅沿著波導的軸線。在與波導成更傾斜的角度時，它們相互抵消。

打破對稱

在新作品中，Khalatpour和他的共同作者--Handia，Sandia的John Reno和多倫多大學材料科學教授Nazir Kherani - 只需在波導的每個孔后面放置反射器，這一步可以無縫地完成。并入制造波導本身的制造過程。

反射器比波導寬，并且它們是間隔開的，使得它們反射的輻射將在一個方向上加強太赫茲波，但在另一個方向上抵消它。位于波導外部的一些太赫茲波仍然使其圍繞反射器，但是現在以錯誤的方向離開波導的80%的能量被重定向到另一個方向。

“他們有一種特殊類型的太赫茲量子級聯激光器，稱為三階分布反饋激光器，現在這是產生高質量輸出光束的最佳方法之一，你需要能夠使用它加利福尼亞大學伯克利分校電氣和計算機工程副教授本威廉姆斯說，你所產生的功率，結合單一頻率的激光操作，這也是光譜學的理想選擇。“這可能是過去五年，六年中最有用和最受歡迎的方式之一。但其中一個問題是，在所有以前的結構中，無論是清組還是其他組都做過，激光的能量都是向前和向后兩個方向發射的。

威廉姆斯說：“產生這種太赫茲力量是非常困難的，然后一旦你做到了，就會丟掉一半，所以這不是很好。” “他們提出了一個非常優雅的計劃，基本上可以強迫更多的力量向前邁進。它仍然具有良好的高質量光束，因此它為更加復雜的天線工程打開了大門，以提高這些激光器的性能。“