等離子體(ti) 激光器由於(yu) 其本身的亞(ya) 波長金屬腔而經受著低輸出功率和光束發散的 困擾。來自裏海大學的研究人員發展了一個(ge) 稱之為(wei) 鎖相的方案，可以顯著的提高激光的發射效率和改善光束質量。陣列的金屬微腔穿過等離子體(ti) 波而實現縱向地耦合，從(cong) 而導致單個(ge) 光譜模的發射和衍射局限在表麵法線方向形成單瓣光束。研究人員將這一方案應用於(yu) 太赫茲(zi) 等離子體(ti) 量子級聯激光器（quantum-cascade lasers (QCLs) ）和測量峰值功率超過2W的單模 3.3THz QCL在窄單瓣光束時的發射，條件為(wei) 運行溫度為(wei) 58K時的緊湊型斯特林製冷機。同早期的工作相比較，研究人員展示了在功率上可以有一個(ge) 數量級的增加和至少30倍高的平均功率強度的單模太赫茲(zi) QCLs存在。從(cong) 微腔發射的光子數量和半導體(ti) 介質來看，同早期的單模中紅外或太赫茲(zi) QCLs相比，有至少 >50%的發射效率和顯著的增加。

等離子體(ti) 激光器采用鎖相方案，其表麵波縱向的同幾個(ge) 金屬微腔在表麵發射的激光陣列光纖進行耦合

圖解：圖片展示的是單模太赫茲(zi) 激光器的多瓦發射，此時有較多的光子從(cong) 激光陣列進行發射

太赫茲(zi) 激光很快就有機會(hui) 走向更廣闊的應用。太赫茲(zi) 發射的激光位於(yu) 微波和紅外波長之間，屬於(yu) 電磁光譜的範圍。太赫茲(zi) 一直受到廣泛關(guan) 注，其原因是太赫茲(zi) 有穿透普通包裝材料，如塑料、織物、布料、硬紙板等等的能力，常常用來識別和探測不同的化學物質和生物分子物種。甚至用來在不對物體(ti) 產(chan) 生損壞的條件下進行生物組織類別的影像識別。為(wei) 了能夠充分發揮 太赫茲(zi) 激光器的效用，就需要進一步的提高它的強度和亮度，而要實現這一點就需要提高太赫茲(zi) 激光設備的輸出功率和光束質量。

早在2018年裏海大學的研究人員曾經發展了一種簡單而有效的技術來提高單模激光的輸出功率，是基於(yu) 一種稱之為(wei) 分布式反饋的機製來實現的。這一技術發表在期刊《Nature Communication》上，並且作為(wei) 太赫茲(zi) QCL技術的重要進展而獲得了極大的關(guan) 注。

如今，同樣來自裏海大學的研究人員則報道了另外一個(ge) 在太赫茲(zi) 方麵的重要突破，他們(men) 采用一種新的鎖相技術來發展等離子體(ti) 激光，通過該應用，實現了破紀錄的高功率太赫茲(zi) 激光的輸出。他們(men) 研製出來的激光可以產(chan) 生最高的發射效率，並且對任何單波長半導體(ti) 激光量子級聯激光器都適用。這一技術以論文題目為(wei) "Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode"發表在今日出版的期刊《Optica》上。

據論文作者認為(wei) ：他們(men) 目前研製的太赫茲(zi) 激光器的發射效率是當今任何單波長QCL激光器中最高的，同時這個(ge) 公開報道的發射效率超過50%的QCL 。這一高效率可以說超過了研究人員一開始的預期，這也是為(wei) 什麽(me) 他們(men) 研製的激光器的輸出功率會(hui) 顯著的高出以前的激光器的原因。

為(wei) 了提高半導體(ti) 激光器的輸出功率和光束質量，科學家經常會(hui) 利用鎖相技術，這是一種電磁控製技術，強製光學微腔的陣列在同步的時候實現發射輻射。太赫茲(zi) 激光，是在光學微腔金屬塗層上進行光束的限製，這就是一種稱之為(wei) 等離子激光器的激光之所以存在低的發射效率的原因，所以該激光器臭名昭著。同時在前期的文獻中也隻存在非常少的技術關(guan) 於(yu) 可以提高等離子激光器發射效率和輸出功率這方麵的技術。

裏海大學這次發表的一種用於(yu) 等離子激光的鎖相技同早期的鎖相技術顯著不同，該技術是利用電磁發射的表麵波的旅行作為(wei) 等離子光學微腔的工具。該方法的效率經過證明可以實現太赫茲(zi) 激光創記錄的高輸出功率，同時同以前的結果相比較，增加了至少一個(ge) 數量級。這一技術將在科研和工業(ye) 中的太赫茲(zi) 光譜和傳(chuan) 感上大有用途。

這一技術的關(guan) 鍵在於(yu) 光學微腔的設計，這是獨立於(yu) 半導體(ti) 材料性質的。這一新的技術需要感應耦合等離子體(ti) （ICP，分析測試中的一種）蝕刻，它扮演著實現這類激光器的性能邊界的關(guan) 鍵。

這一研究報道可以說 是單波長太赫茲(zi) 激光的範式轉變，窄的光束將會(hui) 得到發展和在將來繼續發展，同時研究者認為(wei) 在將來太赫茲(zi) 的前途非常光明。

從(cong) 左到右邊：Lehigh University（裏海大學）的太赫茲(zi) 光子學研究團隊部分成員： Ji Chen, Liang Gao和 Yuan Jin（本文作者之一）

在太赫茲(zi) 等離子體(ti) 激光器，使用兩(liang) 塊金屬薄膜來封閉激光諧振腔（在上麵的一塊金屬薄膜中開周期性的狹縫），顏色表示相幹SPP光波。其中一個(ge) 光波被限製在10微米的波腔內(nei) 。另外一個(ge) 光波在空間範圍內(nei) 比較大，位於(yu) 腔體(ti) 的頂端。

高功率表麵發射的混合光柵高功率表麵發射半導體(ti) 太赫茲(zi) 激光的SEM照片

太赫茲(zi) 的用途：可以快速測量藥物中的成分或者對患者的皮膚組織進行分類的便攜式掃描儀(yi) 、在化學傳(chuan) 感和成像的廣泛應用中極具價(jia) 值、在太空中進行星際元素探測，旨在了解更多關(guan) 於(yu) 我們(men) 星係的起源。地球上，高功率光子線激光器還可用於(yu) 改善皮膚和乳腺癌成像，檢測藥物和爆炸物等。 生物、化學傳(chuan) 感、光譜、炸藥，以及對違禁材料、檢測疾病的診斷，藥物的質量控製，甚至在遙感天文學方麵以了解恒星和星係的形成。這些都是相當酷的東(dong) 西，會(hui) 給人留下深刻的印象。

參考文獻：

Lehigh University、Yuan Jin et al. High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03697-9；

文章來源：Yuan Jin, John L. Reno, and Sushil Kuma, Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode, Optica (2020). DOI: 10.1364/OPTICA.390852，Vol. 7, Issue 6, pp. 708-715 (2020)