微小的太赫兹激光可用于成像

太赫兹辐射 - 微波和可见光之间的电磁波谱带 - 在医疗和工业成像以及化学检测等领域具有广阔的应用前景。

但是这些应用中的许多依赖于小的，功率效率高的太赫兹光源，并且制造它们的标准方法涉及笨重，耗电的桌面装置。

20多年来，麻省理工学院电气工程和计算机科学的着名教授胡庆和他的团队一直在研究可以蚀刻到微芯片上的太赫兹辐射源。在最新一期的“ 自然光子学 ” 杂志上，胡氏集团的成员以及桑迪亚国家实验室和多伦多大学的同事们描述了一种新颖的设计，将芯片安装的太赫兹激光器的功率输出提高了80%。

作为迄今为止报道的性能最佳的贴片太赫兹光源，研究人员的设备已被NASA选中为其银河系/河外ULDB光谱太赫兹天文台(GUSTO)任务提供太赫兹发射。该任务旨在确定星际介质的组成，或填充恒星之间空间的物质，并且它使用太赫兹光线，因为它们非常适合光谱测量氧气浓度。因为任务将把装满仪器的气球部署到地球的高层大气层，所以太赫兹发射器需要重量轻。

研究人员的设计是一种称为量子级联激光器的设备的新变种，具有分布式反馈。“我们从这开始，因为它是那里最好的，”电子工程和计算机科学研究生，论文第一作者Ali Khalatpour说。“它具有太赫兹的最佳性能。”

然而，到目前为止，该装置具有一个主要缺点，即它在两个相反的方向上自然地发射辐射。由于太赫兹辐射的大多数应用需要定向光，这意味着该装置会浪费其一半的能量输出。Khalatpour和他的同事找到了一种方法来重定向通常从激光背面射出的80%的光，使其沿所需的方向传播。

正如Khalatpour所解释的那样，研究人员的设计与激光体内任何特定的“增益介质”或材料组合无关。

“如果我们想出一个更好的增益媒介，我们也可以将其输出功率提高一倍，”Khalatpour说。“我们在没有设计新的活性介质的情况下增加了功率，这非常困难。通常，即使增加10%，也需要在设计的各个方面进行大量工作。“

大浪

实际上，双向发射或相反方向的光发射是许多激光器设计的共同特征。然而，对于传统的激光器，通过在激光器的一端放置镜子可以很容易地解决这个问题。

但太赫兹辐射的波长很长，而研究人员的新型激光器(称为光子线激光器)非常小，因此激光长度的大部分电磁波实际上位于激光体外。激光一端的镜子会反射出波浪总能量的一小部分。

Khalatpour和他的同事们对这个问题的解决方案充分体现了微型激光器的设计特点。量子级联激光器由称为波导的长矩形脊组成。在波导中，布置材料使得施加电场沿波导的长度感应电磁波。

然而，这波被称为“驻波”。如果电磁波可以被认为是一个规则的上下波动，那么波在波导中来回反射，使得波峰和反射波谷与波浪向相反方向移动的波谷完全吻合。驻波基本上是惰性的并且不会从波导中辐射出来。

因此，Hu的团队在波导中切割出规则间隔的狭缝，这使得太赫兹光线能够向外辐射。“想象一下，你有一个管道，你打了一个洞，水就会流出来，”Khalatpour说。狭缝间隔开，使得它们发射的波彼此加强 - 它们的波峰重合 - 仅沿着波导的轴线。在与波导成更倾斜的角度时，它们相互抵消。

打破对称

在新作品中，Khalatpour和他的共同作者--Handia，Sandia的John Reno和多伦多大学材料科学教授Nazir Kherani - 只需在波导的每个孔后面放置反射器，这一步可以无缝地完成。并入制造波导本身的制造过程。

反射器比波导宽，并且它们是间隔开的，使得它们反射的辐射将在一个方向上加强太赫兹波，但在另一个方向上抵消它。位于波导外部的一些太赫兹波仍然使其围绕反射器，但是现在以错误的方向离开波导的80%的能量被重定向到另一个方向。

“他们有一种特殊类型的太赫兹量子级联激光器，称为三阶分布反馈激光器，现在这是产生高质量输出光束的最佳方法之一，你需要能够使用它加利福尼亚大学伯克利分校电气和计算机工程副教授本威廉姆斯说，你所产生的功率，结合单一频率的激光操作，这也是光谱学的理想选择。“这可能是过去五年，六年中最有用和最受欢迎的方式之一。但其中一个问题是，在所有以前的结构中，无论是清组还是其他组都做过，激光的能量都是向前和向后两个方向发射的。

威廉姆斯说：“产生这种太赫兹力量是非常困难的，然后一旦你做到了，就会丢掉一半，所以这不是很好。” “他们提出了一个非常优雅的计划，基本上可以强迫更多的力量向前迈进。它仍然具有良好的高质量光束，因此它为更加复杂的天线工程打开了大门，以提高这些激光器的性能。“