微小的太赫茲激光可以用於成像，化學檢測

太赫茲輻射——微波和可見光之間的電磁光譜波段，在醫學和工業影像和化學檢測等方面都有很好的應用前景。但許多應用程序依賴於小型的、高效的terahertz射線源，而生產它們的標準方法包括一個龐大的、耗電的桌面設備。

一項新的技術提高了小晶元安裝的terahertz激光器的功率達到了88%。圖片版權：Demin Liu/Molgraphics

20多年來，作為麻省理工學院電子工程和計算機科學的傑出教授，他和他的團隊一直在研究可以蝕刻在微晶元上的太赫茲輻射的來源。在最新一期的《自然光子學》雜誌上，胡氏集團的成員和多倫多大學的同事們描述了一種新型的設計，這種設計能將晶元的terahertz激光器的輸出功率提高80%。

作為最出色的晶元安裝的terahertz源，研究人員的設備已經被美國宇航局選中，為其銀河/外太空的ULDB光譜儀(GUSTO)觀察團提供terahertz排放。這項任務的目的是確定星際介質的組成，或者是填充恆星之間空間的物質，它使用的是太赫茲射線，因為它們非常適合光譜測量氧氣濃度。因為任務將把儀器裝載的氣球部署到地球的高層大氣中，terahertz的發射器需要重量輕。

電子工程和計算機科學的研究生阿里·卡勒特布(Ali Khalatpour)說（他是論文的第一作者）：研究人員的設計是在一個叫做量子級聯激光器的設備上的一種新的變異，它具有分散式反饋。我們從這個開始因為它是最好的，它的最佳性能是terahertz。

然而到目前為止，該設備有一個主要的缺點，那就是它自然會在兩個相反的方向發射輻射。由於太赫茲輻射的大多數應用都需要定向光，這意味著設備消耗了一半的能量輸出。Khalatpour和他的同事們找到了一種方法，將80%的光線重定向到激光的背面，這樣它就能在理想的方向上飛行。

正如Khalatpour解釋的那樣，研究人員的設計並沒有與任何特定的「增益介質」或激光體內的材料組合有關。如果我們有一個更好的增益介質，我們也可以把它的輸出功率加倍，我們在不設計一種新的活動介質的情況下增加了電力，這是相當困難的。通常即使是10%的增長也需要在設計的各個方面進行大量的工作。

事實上雙向發射或光在相反方向發射，是許多激光設計的共同特徵。然而用傳統的激光，在激光的一端放置一面鏡子很容易得到補救。但是太赫茲輻射的波長太長了，研究人員的新激光器——也稱為光子絲激光器，是如此之小以至於激光的長度所產生的電磁波大部分都位於激光器的體外。在激光一端的一面鏡子反射回了一小部分波的總能量。

Khalatpour和他的同事們解決這個問題的方法利用了微型激光器的設計特性。量子級聯激光器由一個稱為波導的長矩形脊構成。在波導中材料被安排好使電場的應用在波導的長度上產生電磁波。

然而這波是所謂的「駐波」，如果電磁波可以被認為是一種有規律的上下運動，那麼波就會在波導中來回反射，在波導中反射的波峰和波谷與向相反方向移動的波完全重合，駐波基本上是惰性的不會從波導中輻射出來。

因此胡的團隊經常將縫隙插入波導，這樣一來太赫茲射線就會輻射出去。想像你有一個管子你做一個洞然後水就出來了，這些裂片是間隔的這樣它們發出的波會互相強化——它們的波峰只是沿著波導的軸。從波導的角度來看，它們相互抵消。

打破對稱

在新的工作中Khalatpour coauthors-Hu約翰?雷諾的桑迪亞納齊爾Kherani大學的材料科學教授Toronto-simply把每個孔的波導反射鏡背後，一個步驟可以無縫地整合到生產過程產生波導本身。

反射器比波導寬，而且它們的間距是這樣的，它們反射的輻射會在一個方向上加強太赫茲波，但在另一個方向上抵消。在波導外的一些兆赫波仍然在反射器周圍，但是在錯誤的方向上退出波導的能量有80%是反向的。

參考期刊： 自然光子學

來自：： 馬薩諸塞理工學院

編譯：光量子

審校：博科園

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