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    用于传感和成像的太赫兹激光器性能飞跃式提升!

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      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、窄波束模式和宽频率调谐)因此在化学传感和成像的广泛应用中具有价值。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,该任务旨在了解更多关于我们星系的起源。在地球上,大功率的光子线激光器还可以用于改善皮肤和乳腺癌成像,检测药物和爆炸物等等。这种激光器的新颖设计将多种基于半导体的高效线激光器组合在一起,迫使它们“锁相”或同步振荡。将这些对的输出沿阵列组合在一起,可以产生具有最小散度的单一大功率光束。

      用于传感和成像的太赫兹激光器性能飞跃式提升!

      博科园-科学科普:对单个耦合激光器的调整允许进行宽频率调谐,以提高测量中的分辨率和保真度。研究人员说表示实现这三种性能指标意味着更低的噪音和更高的分辨率,从而实现更可靠、成本更低的化学检测和医学成像。人们已经在激光器中做过频率调谐,或者制造出高光束质量的激光器,或者制造出高连续波功率的激光器。但每一种设计都缺乏另外两个因素。这是首次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现这三个指标。和Khalatpour一起发表这篇论文的还有:清华,麻省理工学院著名的电子工程和计算机科学教授,他在太赫兹量子级联激光器方面做出了开创性的工作,以及桑迪亚国家实验室的约翰l里诺(John L. Reno)。

      被NASA选中

      去年NASA宣布了银河/银河系外的ULDB光谱望远镜太赫兹天文台(GUSTO),计划于2021年发射一架搭载光子线激光器的高空气球望远镜,用于探测来自“星际介质”(恒星间的宇宙物质)的氧气、碳和氮排放。在几个月里收集的大量数据将提供对恒星诞生和演化的深入了解,并帮助绘制更多的银河系和附近的大麦哲伦云星系的地图。作为GUSTO化学探测器的一个部件,NASA选择了一种新的基于半导体的太赫兹激光器,这是麻省理工学院的研究人员之前设计的。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中氧浓度的光谱测量,太赫兹辐射是微波和可见光之间的电磁波谱带。太赫兹激光器可以向一种材料发射相干辐射,提取这种材料的光谱“指纹”。不同的材料吸收太赫兹辐射的程度不同,这意味着每一种材料都有一个独特的指纹,它以谱线的形式出现。

      用于传感和成像的太赫兹激光器性能飞跃式提升!

      麻省理工学院研究人员设计的一种微型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:大功率、密集光束和宽频率调谐。图片:Massachusetts Institute of Technology

      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,海洛因的信号约为1.42太赫兹和3.94太赫兹,可卡因的信号约为1.54太赫兹。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”。和许多激光器一样,这些激光器是双向的,也就是说它们向相反的方向发射光,这就降低了它们的功率。在传统的激光器中,这个问题很容易通过在激光器体内仔细定位镜子来解决。但是太赫兹的激光很难固定,因为太赫兹的辐射太长,而激光又太小,所以大部分的光都在激光体外传播。在GUSTO选择的激光器中,研究人员为线激光器的波导(控制电磁波在激光中传播的方式)开发了一种单向发射的新设计。这实现了高效率和光束质量,但它不允许美国宇航局要求的频率调整。

      从化学中学习

      在他们之前设计的基础上,Khalatpour从一个意想不到的来源获得了灵感:有机化学。在麻省理工学院(MIT)上本科时,哈拉普注意到了一条两边排列着原子的长聚合物链。它们是“pi键”,意思是分子轨道重叠使键更稳定。研究人员将pi键的概念应用到他们的激光器上,在阵列上的其他独立线激光器之间建立紧密的连接。这种新的耦合方案允许两个或多个线激光器锁相。为了实现频率调谐,研究人员使用微小的“旋钮”来改变每根线激光器的电流,这将略微改变光通过被称为折射率的激光的方式。这种折射率的变化,当应用于耦合激光器时,会产生一个连续的频移到对的中心频率,在实验中研究人员制作了一个由10个pi耦合线激光器组成的阵列。

      用于传感和成像的太赫兹激光器性能飞跃式提升!

      该激光器在约10千兆赫的范围内进行连续频率调谐,输出功率约为50至90毫瓦,具体取决于阵列上有多少对pi耦合激光器。光束发散度很低,只有10度,这是测量光束偏离焦点的距离。研究人员目前还在构建一个动态范围大于110分贝的成像系统,该系统可用于皮肤癌成像等许多应用。皮肤癌细胞比健康细胞更强烈地吸收太赫兹波,因此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了那些激光器,并提供了调谐功能。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。

      用于传感和成像的太赫兹激光器性能飞跃式提升!

      加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)物理与波电子学副教授本杰明•威廉姆斯(Benjamin Williams)表示:这是一项非常棒的工作——在THz(范围)内,很难从同时具有良好光束模式的激光器获得高功率级别。这项创新是他们将多线激光器连接在一起的新方法。这是很棘手的,因为如果阵列中的所有激光器不以相位辐射,那么光束模式就会被破坏。现已经证明,通过适当地间隔相邻的线激光器,它们可以被诱导成“想要”在一个连贯的对称超模中工作——所有这些超模都是同步辐射的。另外,激光的频率可以调到预期的波长——这是光谱学和天体物理学的一个重要特征。

      博科园-科学科普|研究/来自:麻省理工学院

      参考期刊文献:《Nature Photonics》

      DOI: 10.1038/s41566-018-0307-0

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