由麻省理工学院研究人员设计的太赫兹激光器是第一个同时达到三个关键性能目标的激光器——高恒定功率、紧束模式和宽电子频率调谐——因此可能在化学传感和成像方面有广泛的应用价值。
优化后的激光器可以用于探测即将到来的NASA任务中的星际元素，该任务旨在更多地了解我们星系的起源。在地球上，高功率光子线激光还可以用于改善皮肤和乳腺癌成像，检测药物和爆炸物，以及更多。
这种激光器的新颖设计将多个基于半导体的高效线激光器配对，并迫使它们“锁相”，或同步振荡。结合阵列上的对输出产生一个单一的，具有最小光束发散的高功率光束。对单个耦合激光器的调整允许宽频率调谐，以提高测量中的分辨率和保真度。研究人员表示，实现这三种性能指标意味着更少的噪声和更高的分辨率，从而实现更可靠、更经济的化学检测和医学成像。
“人们已经在激光器中进行了频率调谐，或者制造了高光束质量的激光器，或者具有高连续波功率的激光器。但每一种设计都缺少其他两个因素，”电子工程和计算机科学专业的研究生Ali Khalatpour说，他是一篇描述激光的论文的第一作者，发表在今天的《科学》杂志上自然光子学．“这是我们首次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现这三个指标。”
“这就像‘一枚戒指统治所有人’，”Khalatpour补充道，他指的是《指环王》中的流行短语。
和Khalatpour一起发表这篇论文的还有:麻省理工学院电子工程和计算机科学的杰出教授胡庆(Qing Hu)，他在太赫兹量子级联激光器方面做了开创性的工作;以及桑迪亚国家实验室的约翰·l·雷诺。
由美国国家航空航天局
去年,美国国家航空航天局宣布银河/河外ULDB太赫兹光谱天文台(GUSTO)，该项目将于2021年发射一个携带光子线激光器的高空气球望远镜，用于探测来自“星际介质”(恒星之间的宇宙物质)的氧、碳和氮排放。几个月来收集的大量数据将为恒星的诞生和演化提供深入的见解，并有助于绘制更多的银河系和附近的大麦哲伦星云星系。
对于GUSTO化学探测器的一个组件，美国宇航局选择了一种新型的半导体基础太赫兹激光是由麻省理工学院研究人员设计的。它是目前性能最好的太赫兹激光器。这种激光器特别适用于太赫兹辐射下的氧浓度的光谱测量，太赫兹辐射是微波和可见光之间的电磁光谱波段。
太赫兹激光可以向材料发射相干辐射，提取材料的光谱“指纹”。不同的材料对太赫兹辐射的吸收程度不同，这意味着每种材料都有一个独特的指纹，以光谱线的形式出现。这在1-5太赫兹范围内尤其有价值:例如，对于违禁品的检测，海洛因的信号在1.42太赫兹和3.94太赫兹左右，可卡因在1.54太赫兹左右。
多年来，胡的实验室一直在开发新型的量子级联激光器，称为“光子线激光器”。像许多激光器一样，这些激光器是双向的，这意味着它们向相反的方向发出光，这使得它们的功率较低。在传统激光器中，这个问题很容易通过在激光器体内仔细放置镜子来解决。但在太赫兹激光中很难固定，因为太赫兹辐射太长，而激光又太小，以至于大多数光都在激光器外传播。
在为GUSTO选择的激光器中，研究人员开发了一种新颖的线激光器波导设计——它控制电磁波沿激光器传播的方式——单向发射。这实现了高效率和光束质量，但不允许NASA要求的频率调谐。
从化学中吸取教训
在之前的设计的基础上，Khalatpour从一个不太可能的来源获得了灵感:有机化学。在麻省理工学院(MIT)上本科课程时，Khalatpour注意到了一条长聚合物链，它的两侧排列着原子。它们是“成键”的，这意味着它们的分子轨道重叠，使成键更稳定。研究人员将π键合的概念应用到他们的激光器上，他们沿着阵列在独立的激光线之间建立了紧密的连接。这种新颖的耦合方案允许两个或多个线激光器的锁相。
为了实现频率调谐，研究人员使用微小的“旋钮”来改变每根激光线的电流，这略微改变了光通过激光的方式，称为折射率。当这种折射率变化作用于耦合激光器时，会产生对激光器中心频率的连续频移。
为了进行实验，研究人员制作了一个由10个pi耦合线激光器组成的阵列。该激光器的工作频率在10千兆赫的范围内连续调谐，输出功率大约为50到90毫瓦，这取决于阵列上有多少个π耦合激光对。光束有10度的低光束散度，这是测量光束在距离上偏离焦点的程度。
研究人员目前还在构建一个高动态范围成像系统——大于110分贝——可以用于许多应用，如皮肤癌成像。皮肤癌细胞比健康细胞吸收太赫兹波更强，所以太赫兹激光有可能探测到它们。然而，以前用于这项任务的激光器体积大，效率低，而且频率不可调。研究人员的芯片大小的设备在输出功率上匹配或超过这些激光器，并提供调谐能力。
Khalatpour说:“拥有一个拥有所有这些性能指标的平台……可以显著提高成像能力并扩展其应用。”
加州大学洛杉矶分校物理与波电子学副教授本杰明•威廉姆斯表示:“这是一项非常出色的工作——在太赫兹(THz)范围内，用具有良好光束模式的激光器获得高功率水平非常困难。”“创新之处在于，他们采用了一种新颖的方式，将多线激光器耦合在一起。这是一个棘手的问题，因为如果阵列中所有激光器的辐射相位不一致，那么光束图案就会被破坏。他们已经证明，通过适当地间隔相邻的线激光器，它们可以被诱导到“想要”在一个相干对称超模中工作——所有的激光一起同步辐射。作为奖励，激光频率可以被调节到所需的波长，这是光谱学和天体物理学的一个重要特征。”
了下:M2M(机对机)
