极窄波束等离子体激光器问世,新型微激光器有望投入实际应用

极窄波束等离子体激光器问世,新型微激光器有望投入实际应用

3毫米乘1.5毫米的半导体激光芯片上有10个激光器。左图为原始大小,右图是用扫描电镜看到的一个谐振腔。图中可见起分布式反馈作用的薄金属片光栅。图片来源: Sushil Kumar

激光自1960年问世至今,已经极大改变了我们的生活,它的应用涉及了生活中的方方面面:激光扫描仪、激光打印机、激光手术刀、激光光盘、激光通信等等。

激光发射自激光器。激光器核心——激光源可以是气体(气体激光器)也可以是固体(固体激光器)。激光可以有不同的色彩(波长)——从X射线激光(短波长)到可见光激光到远红外激光(长波长)。激光器可以像房子一样大(自由电子激光器)也可以握在掌中(半导体二极管激光器)。

在过去十年里,研究人员一直致力于激光器的小型化。目前,激光器小型化的热点已经转向了纳米激光器,而等离子激光器又是纳米激光器中体积最小的。

计算机和电子工程副教授苏施·库马尔(Sushil Kumar)称,等离子激光器的原理是:用金属薄片或纳米金属颗粒将光能约束在谐振腔中,激光自谐振腔发出。等离子激光器如此袖珍的秘诀在于:谐振腔内的金属薄片或纳米金属颗粒产生了表面等离子体激元(surfaceplasmon polaritons (SPPs))效应,借此效应,激光光子可以在比激光波长还小的空间内产生。

等离子体激光器的这种特性使得其成为光学集成芯片的理想选择,这些芯片可以进行超快速数字信号处理。

但是,在等离子激光实用化之前,还有很多技术难关需要攻克。库马尔称,难点在于让光子从极小的腔体中发射出来。其次,即使光子能够出来,它们也发散得非常厉害。这使得等离子激光没什么实用价值。


之前的等离子激光器大多发射可见光和近红外激光。库马尔团队的等离子激光器则发射波长较长的太赫兹(1012赫兹)波段激光,因此也称太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum-cascade lasers,QCL)。该团队的等离子激光器能发射目前最强的太赫兹激光,它可以被用于生物医药、分子谱分析、安检以及天文和大气科学领域。

然而,太赫兹量子级联激光器同样饱受光束散焦的困扰。库马尔团队发明了一种称为分布式反馈的方法来聚焦波束,借此获得波长为100微米的长波激光。储存激光能量的谐振腔由间距10微米的两块金属板组成,长、宽、高分别为10微米、100微米和1400微米。该系统的太赫兹激光波束宽度只有4度乘4度,是目前波束最窄的太赫兹激光。

库马尔在该项目上花费了4年的时间,最近他和他的团队成员——电子工程系博士生吴重兆(Chongzhao Wu,音译)、苏迪普·卡纳尔(Sudeep Khanal)和新墨西哥桑迪亚国家实验室纳米集成技术中心的约翰·L·雷诺(John L. Reno)在美国光学协会的《光学》(Optica)期刊发表了文章《极窄波束太赫兹等离子激光器》。

基于光栅的分布式反馈

1970年代,科学家发现激光器谐振腔中的光栅通过布拉格散射,可以提供反馈,稳定激光器的震荡,进而让激光频率固定在一个值。这是分布式反馈的最早引入。

引入光栅的好处有二:一是可以稳定激光频率,滤去频率不符合要求的光子。二则是光栅还可以聚焦光束。聚焦后的光束可以远距离传输和引导到另一处。


太赫兹等离子体激光器的示意图。激光谐振腔是由2个金属薄片和其间的空腔组成的,其中一个薄片刻有光栅孔。可以看到,不同颜色代表的不同频率激光被约束在各自的10微米厚的谐振腔内。图片来源: Sushil Kumar

目前,基于光栅的激光器设计方案并不少,但等离子体激光器问世较晚,因此适用的光栅方案还处在早期探索阶段。库马尔称,他的光栅方案源自微波工程领域的一项称为“相控阵天线”(phased-arrayantenna)的技术。在雷达和卫星通信领域广泛采用的相控阵天线技术用多个小天线组成大天线阵,以此获得单个小天线无法获得的窄波束。这些特殊的,用薄金属片制成的相控阵天线称为微带线,它通常被应用于印刷电路板上来收发微波信号。微带线的结构类似于库马尔的光栅。

具体来说,库马尔在组成谐振腔的2块金属板的其中一块上按一定间隔刻出槽口,而槽口的间隔由激光的波长、谐振腔体内填充物的折射率和包绕谐振腔的介质的折射率决定。

库马尔团队的分布式反馈技术具有2个特点。首先,将相控阵技术引入激光器是一项显著的技术突破,因为其不同于固体激光器通常使用的反馈控制技术。

其次,光栅(相控阵天线)技术在包绕谐振腔的介质中引起了显著的表面等离子激元效应。所有的等离子体激光器都可以在谐振腔内产生表面等离子激元效应,但库马尔团队的方案在包绕谐振腔的介质(空气或其他物质)中也产生了表面等离子激元效应。这是世界上首次。谐振腔外的表面等离子激元激发的光波同来自谐振腔体内的光波作用,使得发射出去的激光光束非常窄。

库马尔和吴已经为他们的设计申请了专利。该技术有助于帮助等离子体激光器,特别是太赫兹量子级联激光器获得窄波束,进而扫清商业化的障碍。

库马尔团队获得了2016年度TechConnect国家发明大奖。他们在提交给2016年TechConnect世界发明大会的一篇摘要中称,安检设备业界对该技术有浓厚兴趣。

在雷诺的协助下啊,库马尔团队的激光器制造工作在利哈伊大学的光子和纳米电子中心超净室(Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics)通过分子束外延技术完成。美国国家科学基金会从2011年至2014年资助了该项目。为了表彰库马尔在砷化镓和铝砷化镓太赫兹激光谐振腔复合材料领域的杰出贡献,他被授予2014年国家自然科学基金事业奖。

库马尔目前获得了美国国家自然科学基金会的另一项资助,期望通过多激光谐振腔的锁相技术,把太赫兹等离子激光器的发射功率提高到100毫瓦,同时光束宽度不超过5度。

参考:Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.3.000734

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编辑于 2016-07-19

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