多瓦太赫兹半导体量子级联激光器的突破
利哈伊光子学和纳米电子学中心的研究人员通过使用一种新的锁相技术，实现了太赫兹激光器的创纪录高输出功率，并报告了任何单波长半导体量子级联激光器的最高辐射效率。
太赫兹激光器可能很快就会出现。太赫兹激光器发射的辐射在电磁波谱上位于微波和红外光之间。由于它们可以穿透常见的包装材料(如塑料、织物和纸板)，并用于识别和检测各种电磁波，因此一直是研究的重点。化学物质和生物分子甚至可以对某些类型的生物组织进行成像，而不会造成损伤。太赫兹激光的潜力在于通过提高功率输出和光束质量来提高其强度和亮度。
现在，Sandia的Kumar、Jin和John L. Reno报告了太赫兹技术的另一项突破:他们开发了一种新的等离子体激光锁相技术，并利用该技术实现了太赫兹激光的创纪录高功率输出。他们的激光器产生的辐射效率是任何单波长半导体量子级联激光器中最高的。这些结果在Optica于2020年6月12日发表的论文《单光谱模式下输出功率为2 W的锁相太赫兹等离子体激元激光器阵列》中有解释。
库马尔说:“据我们所知，太赫兹激光的辐射效率是迄今为止任何单波长QCL所展示的最高的，也是第一个关于这种QCL达到50%以上辐射效率的报道。”。“如此高的辐射效率超出了我们的预期，这也是我们的激光器输出功率明显高于之前功率的原因之一。”
为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家们经常使用锁相技术，这是一种电磁控制系统，可以在锁定步骤中迫使一系列光腔发射辐射。太赫兹QCL使用金属涂层的光学腔来限制光线。是一种叫做等离子激光器的激光器，辐射性能差是出了名的。他们表示，现有文献中可用的技术数量有限，这些技术可以用来大大提高这种等离子体激光器的辐射效率和输出功率。
金说:“我们的论文描述了一种新的等离子体激元锁相方案，它明显不同于以前在大量半导体激光器文献中对锁相激光器的研究。”已证实的方法使用电磁辐射的传播表面波作为等离子体光学腔相位锁定的工具。通过实现太赫兹激光创纪录的高输出功率，比之前的工作提高了一个数量级，证明了这种方法的有效性。”
沿腔体金属层传播但在周围介质中传播而不是在腔体内部传播的表面波是Kumar研究组近年来开发的独特方法，该方法将继续创新，以进一步探索新途径。该团队预计，他们的激光器的输出功率水平可以导致激光研究人员和应用科学家之间的合作，以开发基于这些激光器的太赫兹光谱和传感平台。
这项QCL技术的创新是库海实验室在利哈伊长期研究的结果。Kumar和Jin通过大约两年的设计和实验，提出了最终实现的想法。与桑迪亚国家实验室的雷诺博士的合作使库马尔和他的团队能够接收半导体材料，形成这些激光器的量子级联光学介质。
据研究人员介绍，这项工作的主要创新在于光腔的设计，在某种程度上与半导体材料的性能无关。他们表示，利哈伊CPN公司新获得的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工具在推动这些激光器的性能极限方面发挥了关键作用。
库马尔说，这项研究代表了如何开发窄束单波长太赫兹激光器，并将在未来开发出来，这是一个范式转变。他补充道:“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常光明。”