麻省理工學(xué)院(MIT)研究人員設(shè)計(jì)了新一代太赫茲激光器，是全球首個(gè)同時(shí)達(dá)到高恒定功率、窄波束模式和寬頻率調(diào)諧這三項(xiàng)關(guān)鍵性能目標(biāo)的激光器。該激光器可用于2021年NASA任務(wù)中的星際元素探測(cè)，還可用于改善皮膚和乳腺癌成像、檢測(cè)毒品和爆炸物等。

　　多年來，MIT長(zhǎng)期致力于開發(fā)稱為“光子線激光器”的新型量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)。與許多激光器一樣，這些激光器是雙向發(fā)射的，這就降低了其功率。傳統(tǒng)激光器采用一個(gè)高反鏡和一個(gè)增透鏡來解決該問題。但這個(gè)問題在太赫茲激光器中很難解決，因?yàn)樘掌澼椛洳ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)，而激光器尺寸太小。

　　2017年，NASA宣布了“銀河系內(nèi)/外ULDB氣球光譜太赫茲天文臺(tái)(GUSTO)”任務(wù)，計(jì)劃在2021年發(fā)射搭載光子線激光器的高空氣球望遠(yuǎn)鏡。NASA選中了MIT的光子線激光器，研究人員為線激光器波導(dǎo)開發(fā)了一種新穎設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單向發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)了高效率并保證了光束質(zhì)量，但不能滿足NASA的頻率調(diào)諧要求。

　　在此基礎(chǔ)上，研究人員Khalatpour從有機(jī)化學(xué)中獲得了靈感。Khalatpour注意到一種兩邊排列著原子的長(zhǎng)聚合物鏈。它們是“π-bonded”，即分子軌道重疊使鍵合更穩(wěn)定。研究人員將此概念應(yīng)用到激光器上，在陣列上本來獨(dú)立的線激光器之間建立緊密的連接。這種新型耦合方案實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)或多個(gè)線激光器的鎖相。為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧，研究人員通過改變每根線激光器的電流輕微改變折射率，這種折射率變化在耦合激光器中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)中心頻率的連續(xù)頻移。

　　實(shí)驗(yàn)中，研究人員制造出由10個(gè)π耦合線激光器組成的陣列，連續(xù)頻率調(diào)諧范圍10GHz，輸出功率約為50~90mW，具體功率取決于陣列上有多少對(duì)π耦合激光器，光束發(fā)散度只有10°。

　　研究人員目前還在構(gòu)建一款動(dòng)態(tài)范圍大于110dB的高動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)，可用于皮膚癌成像等多種應(yīng)用。以往用于這項(xiàng)任務(wù)的激光器體積大、效率低且頻率不可調(diào)諧。

　　加州大學(xué)洛杉磯分校物理與波電子學(xué)副教授Benjamin Williams表示：“這是一項(xiàng)非常出色的研究成果，在太赫茲波段，一般情況下很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好光束模式和高功率。該技術(shù)的創(chuàng)新是開發(fā)出一種將多個(gè)線激光器連接在一起的新方法。該研究已證明，通過適當(dāng)?shù)亻g隔相鄰的線激光器，可誘導(dǎo)它們?cè)谙喔傻膶?duì)稱超模式運(yùn)行。另外，還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是激光頻率可調(diào)諧到所需波長(zhǎng)——這是光譜學(xué)和天體物理學(xué)研究需要的的重要特性。”

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　　參考文獻(xiàn)《Phase-locked photonic wire lasers by π coupling》

　　（王振 摘編自 激光網(wǎng)）