在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，加州大學洛杉磯分校（UCLA）亨利塞繆爾工程和應用科學學院研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種制備太赫茲頻率半導體激光器的新方法。該課題組的論文《超材料腔表面激光器》已于近日發(fā)表在2015年最后一期《應用物理快報》期刊上(Luyao Xu et al, ’metasurface external cavity laser’, Appl. Phys. Lett. 107, 221105 (2015))。
UCLA電子工程系副教授本杰明·威廉姆斯帶領的團隊（包括諾斯羅普·格魯曼公司航空航天系統(tǒng)的工程師），借助于UCLA的納米電子研究設施，成功研發(fā)了第一個太赫茲垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。目前可見光波長范圍內(nèi)的VECSEL已經(jīng)廣泛用于發(fā)射高能光束，但在太赫茲頻率范圍內(nèi)則之前未有應用。
太赫茲頻率范圍內(nèi)的光波（處于微波和紅外線的電磁頻譜之間），可用于分析塑料、織物、半導體和藝術(shù)品，且不會損壞被檢測的材料；化學檢測和鑒定；研究行星的組成和大氣組分。研究人員說，該新裝置可作為一類新型高品質(zhì)的激光器，用于空間探索，軍事和安檢等方面。
為了制備具有高品質(zhì)光束的外腔激光器，研究人員先制備了一個帶有“超材料表面鏡反射陣”的 VECSEL，它包括許多小天線耦合激光腔的陣列，當太赫茲波擊中陣列時，它不會“看見”空腔，而是被反射，如同被一個簡單的平面鏡所反射。不同于簡單的平面鏡，該反射鏡不僅可以反射太赫茲波，同時還能對其進行放大。
圖 不同于簡單的平面鏡，該反射鏡不僅可以反射太赫茲波，還能對其進行放大。
“這是超材料表面和激光器的首次結(jié)合，”威廉姆斯說，“該VECSEL提供了一條在太赫茲波段輸出高功率、高質(zhì)量光束的途徑，且該超材料表面的方法還有利于工程師進一步設計具有特定偏振、形狀和光譜性質(zhì)的輸出光束。”
發(fā)射出對稱的、長距離保持直線的和隨溫度變化的光束是許多半導體激光器尤其是太赫茲量子級聯(lián)激光器的一大挑戰(zhàn)，太赫茲量子級聯(lián)激光器通常使用金屬激光腔，其尺寸比波長更小。
“通過使用該放大的超材料表面作為外腔的一部分，我們不僅可以改善光束模式，而且可以通過激光器腔體的不同設計引入新的功能。” 威廉斯實驗室的研究生，該文章第一作者許路遙說，“例如，通過使用一個獨立的線柵偏振器或過濾器作為第二反射鏡，我們就可以簡單地通過旋轉(zhuǎn)偏振器來優(yōu)化激光器的輸出功率和效率。”研究人員稱他們正在做一些新的設計，來進一步改進該技術(shù)。
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