【轉載】來源：理海大學；電子科技大學太赫茲研究中心 四川太赫茲應用研究聯合課題組 朱浩 編譯

從左到右：研究人員理海（Lehigh）大學電子與計算機工程系研究生Ji Chen，Liang Gao和Yuan Jin在理海大學Sinclair大樓的Sushil Kumar的太赫茲光子實驗室工作。圖片來源: Sushil Kumar, 理海大學

將光嵌入強烈的單色輻射激光的技術，在五十多年來，已經徹底的改變了我們的生活與工作方式。它的許多應用包括超快及高容量數據通信、制造業、外科手術、條形碼掃描器、打印機、自動駕駛技術和驚艷的激光顯示器。激光在不同科學分支都需要的原子和分子光譜中有著重要的應用，而在化學物質和生物分子的檢測分析中，激光技術也同樣起著重要作用。

    激光可以根據其在電磁波譜內的波長進行分類，可見光激光器——比如激光筆——只是其中的一小部分應用。紅外線激光器借助光纖可被用于進行光通信。紫外線激光可用于眼科手術。除此之外還有太赫茲激光器，這也是理海大學電子和計算機工程系副教授Sushil Kumar研究小組正在研究的對象。

    在電磁波譜中，太赫茲激光器發出的輻射位于微波和紅外光之間。它們的輻射可以穿透塑料、織物和紙板等常見的包裝材料，而且在光學傳感和各種化學物質的分析方面也非常有效。這些激光器可用于非破壞性的篩選和檢測包裝爆炸物和非法藥物，對藥物化合物的評估，對皮膚癌的篩查，甚至是對恒星和星系形成的研究。

光譜學等應用要求激光以精確的波長發射輻射，這通常是通過一種被稱為“分布式反饋”的技術來實現。這種裝置被稱為單模激光器。對于太赫茲激光器而言，單模工作至關重要，因為它們最重要的應用包括太赫茲光譜技術。太赫茲激光器目前仍處于發展階段，世界各地的研究人員正試圖改善它們的性能特征，以滿足使其具有商業可行性的條件。

圖片來源： Sushil Kumar, Lehigh University

頂部：一張掃描電子顯微鏡的圖像，這是一個帶有混合光柵結構的高功率表面激勵的太赫茲半導體激光。多激光器是在砷化鎵半導體芯片上面制造，每一個激光器大約有1.5毫米長，10微米厚，寬度在0.1到0.2毫米之間。底部：在工作中的太赫茲激光器的插圖。激光器的半導體材料夾在頂部和底部的金屬層之間。在最上面的金屬層中，有一個周期性的光柵，光可以從中透過。二、四階的布拉格光柵（表現為單雙縫的交替）的相互作用，會導致交替周期的周期結構產生強烈的輻射，這些輻射會在表面法線方向相干性的結合成高質量的單瓣光柵。

 當太赫茲波傳播時，它會被大氣里的水汽吸收，因此，這種激光器的一個關鍵要求就是能產生一束密集的光束，這樣它就可以用于光學傳感和分析，而這些被分析的物質往往保持在距離幾米或更遠的距離，所以密集的光才不會被大氣吸收。為此，Kumar的研究團隊專注于提高強度和亮度，部分通過提高光功率輸出來實現。

 在最近發表在自然通訊雜志上的一篇論文中，由Kumar與Sandia國家實驗室合作領導的理海大學團隊報告了一種簡單而有效的技術，以提高單模激光器的輸出功率，即“表面發射”（相對于那些使用“邊緣發射”結構的激光器）。在這兩種類型中，半導體激光器的表面發射結構為商業化生產激光器的小型化、封裝和測試提供了獨特的優勢。

 已發表的研究描述了一種新的技術，在激光的光學腔內引入一種特殊的周期結構，使它能夠從根本上輻射出高質量的光束，提高輻射效率，從而使激光器更強大。這項研究的作者稱他們的計劃是“混合的第二和四階布拉格光柵”（相對于典型的表面發射激光的二級布拉格光柵，在近30年的時間里，二級布拉格光柵在各種各樣的激光器被廣泛使用）。并且聲稱，他們的混合光柵方案并不局限應用于太赫茲激光器，對于廣義的不同波長的表面發射的半導體激光器都能對其性能進行提升。

 該報告討論了具有170毫瓦功率輸出的單片式單模太赫茲激光器的實驗結果，這是迄今為止這類激光器最強大的功率輸出。研究結果表明，所謂的混合光柵能夠通過在激光腔內的印跡光柵的周期性變化，使激光發射出特定波長的激光，同時保持其波束質量。Kumar堅持認為，在未來的技術改進中，1瓦或者更高水平的功率輸出應該是可以實現的。而這可能是引起工業界注意以及實現太赫茲激光器為基礎的設備的商業化的一個門檻。