强大的激光突破

在激光中利用光进入强烈的单色辐射束的能力已经彻底改变了我们生活和工作五十多年的方式。在其众多应用中有超快和高容量的数据通信、制造、手术、条形码扫描仪、打印机、自驱动技术和壮观的激光显示。激光还发现了原子和分子光谱在各种科学分支中的应用,以及对各种各样的化学物质和生物分子的检测和分析。

激光可以根据电磁波谱中的发射波长来分类,其中可见光激光器(如激光指示器中的激光)只是一小部分。红外激光器用于光纤通信。紫外线激光用于眼科手术。然后是太赫兹激光,这是利哈伊大学电气与计算机工程系副教授苏希尔·库马尔研究小组的课题。

太赫兹激光器发出的电磁波位于微波和红外线之间。它们的辐射可以穿透普通的包装材料,如塑料、织物和纸板,并且在各种各样的化学品的光学感测和分析中也非常有效。这些激光器有可能用于无损检测和检测包装炸药和非法药物,评价药物化合物,筛查皮肤癌,甚至研究恒星和星系的形成。

诸如光谱学之类的应用需要激光以精确的波长发射辐射,这通常通过实现称为“分布反馈”的技术来实现,这种装置被称为单模激光器。要求单模工作对于太赫兹激光器尤其重要,因为它们最重要的应用将是太赫兹光谱。太赫兹激光器仍处于发展阶段,世界各地的研究人员正在努力改善其性能特性,以满足使它们在商业上可行的条件。

当它传播时,太赫兹辐射被大气湿度吸收。因此,对这种激光器的一个关键要求是强光束,使得它可以用于光学传感和分析保持在几米或更多距离的物质,而不被吸收。为此,库马尔的研究团队致力于提高它们的强度和亮度,部分通过增加光功率输出来实现。

LeHe-团队——由库马尔与桑迪亚国家实验室合作——报告了一种简单而有效的技术来提高单模激光器的功率输出,这是“表面发射”(与那些使用“边缘发射”配置相反)。在这两种类型中,半导体激光器的表面发射配置在激光器如何小型化、封装和测试商业化生产方面提供了独特的优势。

已发表的研究描述了一种新技术,通过它在激光器的光腔中引入一种特定的周期性,使其能够基本上辐射出具有提高的辐射效率的优质光束,从而使激光器更强大。作者称其方案为“混合二阶和四阶布拉格光栅”(与典型的表面发射激光器的二阶布拉格光栅相反,其变化已在各种激光器中使用了近三年)。作者声称,它们的混合光栅方案不限于太赫兹激光器,并且可以潜在地改善在不同波长发射的宽种类的表面发射半导体激光器的性能。

该报告讨论了实验结果的单片单模太赫兹激光器的功率输出为170MW瓦,这是迄今为止最强大的此类激光器。研究结果表明,所谓的混合光栅能够通过在激光腔中刻蚀光栅的周期性的简单改变而使激光器以特定的期望波长发射,同时保持其光束质量。库马尔认为,一个瓦特和以上的功率水平应该是可以实现的,对它们的技术进行未来的修改——这可能仅仅是工业需要注意的门槛,并可能进入基于太赫兹激光的仪器的潜在商业化。

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