由美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員設(shè)計(jì)的太赫茲激光器據(jù)稱是第一個(gè)同時(shí)達(dá)到三個(gè)關(guān)鍵性能目標(biāo)的產(chǎn)品- 高恒定功率,、緊束模式和寬電頻調(diào)諧，可用于化學(xué)傳感和成像等廣泛的應(yīng)用,。該研究成果已發(fā)表于《自然》雜志,。

在即將到來的美國(guó)航空航天局（NASA）任務(wù)中，該優(yōu)化的激光可以用于探測(cè)星際元素,，能夠用于更多的了解銀河系的起源,。在地球上，高功率光子線激光器還可用于改善皮膚和乳腺癌成像,、檢測(cè)藥物和爆炸物等。

激光器的新設(shè)計(jì)方法是將多個(gè)基于半導(dǎo)體的高效線激光器配對(duì),，并迫使它們“鎖相”或同步振蕩,。將陣列對(duì)的輸出組合在一起產(chǎn)生單個(gè)高功率光束，光束發(fā)散度最小,。對(duì)各個(gè)耦合激光器的調(diào)整允許進(jìn)行寬頻率調(diào)諧,，以提高測(cè)量中的分辨率和保真度。研究人員說,，實(shí)現(xiàn)所有三個(gè)性能指標(biāo)意味著更低的噪音和更高的分辨率,，以實(shí)現(xiàn)更可靠、更具成本效益的化學(xué)檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像,。

論文第一作者Ali Khalatpour表示,，“當(dāng)前已經(jīng)有人在激光器中進(jìn)行了頻率調(diào)諧，或制造了具有高光束質(zhì)量或具有高連續(xù)波功率的激光器,。但每種設(shè)計(jì)都缺乏其他兩個(gè)因素,。這是我們第一次在基于芯片的太赫茲激光器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有這三個(gè)指標(biāo)?！?/span>

參與論文研究的還有有：Qing Hu,，麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的杰出教授，曾在太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器方面做過開創(chuàng)性工作;桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的John L. Reno,。

去年,，美國(guó)NASA宣布了銀河/銀河系外ULDB光譜太赫茲天文臺(tái)（GUSTO）任務(wù),，這是一項(xiàng)2021年的任務(wù)，將發(fā)送攜帶光子線激光器的高空氣球望遠(yuǎn)鏡,，用于探測(cè)“星際介質(zhì)”——恒星之間的宇宙物質(zhì),，中的氧、碳和氮排放,。幾個(gè)月后收集的大量數(shù)據(jù)將提供對(duì)恒星誕生和進(jìn)化的深入了解,，并幫助繪制更多的銀河系和附近的大麥哲倫星系。

對(duì)于GUSTO化學(xué)探測(cè)器的一個(gè)組件,，NASA選擇了一種先前由麻省理工學(xué)院研究人員設(shè)計(jì)的新型半導(dǎo)體太赫茲激光器,。它是目前性能最佳的太赫茲激光器。這種激光器特別適用于光譜測(cè)量太赫茲輻射中的氧濃度,，即微波和可見光之間的電磁波譜帶,。

太赫茲激光可以將相干輻射發(fā)射到材料中，以提取材料的光譜“指紋”,。不同的材料吸收不同程度的太赫茲輻射,，這意味著每個(gè)材料都有一個(gè)獨(dú)特的指紋，顯示為譜線,。這在1-5太赫茲范圍內(nèi)特別有價(jià)值：例如,，對(duì)于違禁品檢測(cè)，海洛因的簽名在1.42和3.94太赫茲附近,，可卡因在1.54太赫茲左右,。

多年來，Hu的實(shí)驗(yàn)室一直在開發(fā)新型量子級(jí)聯(lián)激光器,，稱為“光子線激光器”,。像許多激光器一樣，它們是雙向的,，這意味著它們以相反的方向發(fā)光,，這就縮小了激光器的體積。在傳統(tǒng)激光器中,，通過在激光器體內(nèi)精心定位的鏡子可以輕松解決這個(gè)問題,。但是很難用太赫茲激光器固定，因?yàn)樘掌澼椛浜荛L(zhǎng),，激光很小,，大部分光線都在激光體外傳播。

在為GUSTO選擇的激光器中,，研究人員開發(fā)了一種新穎的線激光器波導(dǎo)設(shè)計(jì)- 控制電磁波沿激光傳播的方式- 單向發(fā)射,。這實(shí)現(xiàn)了高效率和光束質(zhì)量，但卻無法實(shí)現(xiàn)NASA要求的頻率調(diào)諧,。

在他們之前的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,，Khalatpour從不太可能的來源中獲取靈感：有機(jī)化學(xué),。在麻省理工學(xué)院攻讀本科課程時(shí)，Khalatpour注意到一條長(zhǎng)的聚合物鏈,，兩側(cè)有原子排列,。它們是“π鍵合的”，意味著它們的分子軌道重疊,，使鍵更穩(wěn)定,。研究人員將π鍵合的概念應(yīng)用于激光器，在這些激光器中,，它們沿著陣列在其他獨(dú)立的線激光器之間建立了緊密的連接,。這種新穎的耦合方案允許兩個(gè)或多個(gè)線激光器的相位鎖定。

為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧,，研究人員使用微小的“旋鈕”來改變每個(gè)線激光器的電流,，這會(huì)稍微改變光線穿過激光的方式- 稱為折射率。當(dāng)應(yīng)用于耦合激光器時(shí),，折射率變化會(huì)產(chǎn)生連續(xù)頻率偏移到該對(duì)的中心頻率,。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)，研究人員制作了一組10個(gè)π耦合線激光器,。激光器以大約10千兆赫的跨度進(jìn)行連續(xù)頻率調(diào)諧,，功率輸出大約為50至90毫瓦，具體取決于陣列上有多少π耦合激光器對(duì),。光束具有10度的低光束發(fā)散度,，這是光束在距離上偏離光束的量度。

研究人員目前還正在建立一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)- 大于110分貝- 可用于皮膚癌成像等許多應(yīng)用,。皮膚癌細(xì)胞比健康細(xì)胞更強(qiáng)烈地吸收太赫茲波，因此太赫茲激光可能會(huì)檢測(cè)到它們,。然而,，先前用于該任務(wù)的激光器體積巨大且效率低，并且不是頻率可調(diào)的,。

研究人員的芯片尺寸器件在輸出功率方面與這些激光器相匹配或超過這些器件,，并提供調(diào)諧功能。