在电磁光谱上，位于微波和可见光中间的部分，被称为太赫兹辐射波（THz，1012Hz），它在工业成像和化学检测领域显现出了广泛的应用前景。但是，这些可行的应用绝大部分都需要一个体型小巧且供能效率极高的太赫兹激光源，而传统的供能方法十分笨重，且消耗大量能量。
近二十年来，麻省理工学院电子工程与计算机科学系的胡清教授和他的研究小组一直致力于研究可以镶嵌在微型芯片上的太赫兹激光源。就在最新一期的《自然光子学》杂志（Nature Photonics）上，来自桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）和多伦多大学（University of Toronto）的小组成员们揭露了一款可提高80%功率输出的太赫兹激光器的设计细节。
苍天不负有心人，由于他们的设计在各方面表现都十分突出，该小组被NASA聘去为GUSTO项目提供太赫兹激光源。GUSTO项目的成立是为了探究星际介质的组成部分，而聘请他们的原因则是太赫兹激光可以从光谱学的角度来测量出氧气的含量。由于这个项目需要向地球的高空大气层中部署装满工具的气球，所以太赫兹激光源一定要轻盈易携带。研究小组的新型设计是分布反馈式量子级联激光器的改装版本。“这是最好的一个切入点，所以我们就从这里着手了。”MIT电子工程与计算机科学系的研究生、报告的首席作者Ali Khalatpour这样说，“它能让太赫兹激光拥有最佳的表现。”
但是，目前这个装置有一个很大的不利条件，它总会自动的向两个相反的方向发射激光，而几乎所有对太赫兹激光的应用都是需要一个集中的激光源。这个缺陷就意味着有至少一半的能源是被无端浪费掉的。对此，Ali Khalatpour和他的同事们想出了一个办法，它可以将80%向错误方向发射的激光导向至正确的方向。
图丨一种新技术将装有微型芯片的太赫兹激光器的功率输出提高了88％
据Khalatpour解释道，他们的设计成果不牵扯到任何特殊的增益介质，也没有对激光体本身的构成材料进行任何改变。“如果我们能够研究出一种更好的增益介质，我们可以轻易的将输出的能量加到原本的两倍。”Khalatpour说，“而正因为此，我们所取得突破是十分可贵的。一般来说，如果想要将输出功率提升10%就需要进行大量的改造工作。”
事实上，前文中提到的激光的双向发射，是一种在绝大部分频率激光中都存在的自然现象。对于一般的激光来说，只需在尾部加入几面镜子进行反射就可以纠正它发射的方向了。而对于太赫兹激光来说，由于它的波长太长，而研究员们想要合成的激光——光激性线性激光的波长又很短，所以如果只加入几面镜子进行反射的话，反射回来的只是原本激光所携带能量的一小部分，造成大量浪费。
为了解决这个问题，Khalatpour和他的同事们决定引入一个新型激光的设计。一个量子级联激光拥有一个很长的、矩形的波导。在波导内，电场会随波导的长度来引起一段电磁波，这就是所谓的“驻波”。这时，小组成员想到，由于电磁波是波纹状的，所以它会与相反方向的电磁波完全重合。由于驻波是一个惰性的电波，一般只在波导内活动。因此胡青教授和他的小组成员会人工的在波导里增添裂缝，以便于太赫兹激光冲出波导。“就好比在水管上钻个洞一样，水管中的水会喷出来。”Khalatpour说。裂缝被放置在特定的地方，即只沿着波导的坐标轴放置，这样可以使波段重合以增强激光强度。
Khalatpour和报告的副作者、桑迪亚国家实验室的John Reno以及多伦多大学材料科学系教授Nazir Kherani，在新一轮的工作中将反射器对应的放在了波导裂缝的后面，这一步骤可以与波导的产出过程进行无缝衔接。反射器较波导来说体型稍宽一些，它会将一段的激光强度增强，而将另一端的抵消。有一些在波导外部的太赫兹激光会回到反射其中，但是此装置将80%另一端激光的能量导向了正确的方向。
“他们有一种特殊的太赫兹量子级联激光，称为三等分布反馈式激光，目前是最为有效的一种产生高集中激光束的方式，它所产出的能量可以被应用，也可以与单频激光手术相配合，而且在光谱学上也有很大的应用价值。”加州大学伯克利分校电子与计算机工程系副教授Ben Williams这样说，“这是过去5、6年内最为有效的方式，但是胡青教授的研究小组的设计所牵扯到的问题是，所产生激光的能量还是会从两端泄露出去。”
“想要制造出太赫兹激光是一件和困难的事情，而他们却将其中一半的能量给浪费了，这不能称得上是一个很好的结果。”Ben Williams说，“他们所用的方式，即迫使那些错误方向的激光返回到正确的方向上是一种十分可行的方法。他们仍然拥有一个很高质量的激光束，但是他们还是需要更加完善激光束整体的表现。”
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编辑：Yicheng Pan
参考:
http://news.mit.edu/2017/tiny-terahertz-laser-imaging-chemical-detection-0808
