在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，加州大學洛杉磯分校（UCLA）亨利塞繆爾工程和應用科學學院研究人員已經發現了一種製備太赫茲頻率半導體激光器的新方法。該課題組的論文《超材料腔表麵激光器》已於近日發表在2015年最後一期《應用物理快報》期刊上(Luyao Xu et al, ’metasurface external cavity laser’, Appl. Phys. Lett. 107, 221105 (2015))。
UCLA電子工程係副教授本傑明·威廉姆斯帶領的團隊（包括諾斯羅普·格魯曼公司航空航天係統的工程師），借助於UCLA的納米電子研究設施，成功研發了第一個太赫茲垂直腔表麵發射激光器（VCSEL）。目前可見光波長範圍內的VECSEL已經廣泛用於發射高能光束，但在太赫茲頻率範圍內則之前未有應用。
太赫茲頻率範圍內的光波（處於微波和紅外線的電磁頻譜之間），可用於分析塑料、織物、半導體和藝術品，且不會損壞被檢測的材料；化學檢測和鑒定；研究行星的組成和大氣組分。研究人員說，該新裝置可作為一類新型高品質的激光器，用於空間探索，軍事和安檢等方麵。
為了製備具有高品質光束的外腔激光器，研究人員先製備了一個帶有“超材料表麵鏡反射陣”的 VECSEL，它包括許多小天線耦合激光腔的陣列，當太赫茲波擊中陣列時，它不會“看見”空腔，而是被反射，如同被一個簡單的平麵鏡所反射。不同於簡單的平麵鏡，該反射鏡不僅可以反射太赫茲波，同時還能對其進行放大。
圖 不同於簡單的平麵鏡，該反射鏡不僅可以反射太赫茲波，還能對其進行放大。
“這是超材料表麵和激光器的首次結合，”威廉姆斯說，“該VECSEL提供了一條在太赫茲波段輸出高功率、高質量光束的途徑，且該超材料表麵的方法還有利於工程師進一步設計具有特定偏振、形狀和光譜性質的輸出光束。”
發射出對稱的、長距離保持直線的和隨溫度變化的光束是許多半導體激光器尤其是太赫茲量子級聯激光器的一大挑戰，太赫茲量子級聯激光器通常使用金屬激光腔，其尺寸比波長更小。
“通過使用該放大的超材料表麵作為外腔的一部分，我們不僅可以改善光束模式，而且可以通過激光器腔體的不同設計引入新的功能。” 威廉斯實驗室的研究生，該文章第一作者許路遙說，“例如，通過使用一個獨立的線柵偏振器或過濾器作為第二反射鏡，我們就可以簡單地通過旋轉偏振器來優化激光器的輸出功率和效率。”研究人員稱他們正在做一些新的設計，來進一步改進該技術。
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