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MIT新型太赫茲激光器性能飛躍式提升|前沿

發布:jzjingrui 瀏覽:74次

  麻省理工學院(MIT)研究人員設計了新一代太赫茲激光器,是全球首個同時達到高恒定功率、窄波束模式和寬頻率調諧這三項關鍵性能目標的激光器。該激光器可用于2021年NASA任務中的星際元素探測,還可用于改善皮膚和乳腺癌成像、檢測毒品和爆炸物等。

  多年來,MIT長期致力于開發稱為“光子線激光器”的新型量子級聯激光器(QCL)。與許多激光器一樣,這些激光器是雙向發射的,這就降低了其功率。傳統激光器采用一個高反鏡和一個增透鏡來解決該問題。但這個問題在太赫茲激光器中很難解決,因為太赫茲輻射波長太長,而激光器尺寸太小。

  2017年,NASA宣布了“銀河系內/外ULDB氣球光譜太赫茲天文臺(GUSTO)”任務,計劃在2021年發射搭載光子線激光器的高空氣球望遠鏡。NASA選中了MIT的光子線激光器,研究人員為線激光器波導開發了一種新穎設計,實現單向發射,從而實現了高效率并保證了光束質量,但不能滿足NASA的頻率調諧要求。

  在此基礎上,研究人員Khalatpour從有機化學中獲得了靈感。Khalatpour注意到一種兩邊排列著原子的長聚合物鏈。它們是“π-bonded”,即分子軌道重疊使鍵合更穩定。研究人員將此概念應用到激光器上,在陣列上本來獨立的線激光器之間建立緊密的連接。這種新型耦合方案實現了兩個或多個線激光器的鎖相。為了實現頻率調諧,研究人員通過改變每根線激光器的電流輕微改變折射率,這種折射率變化在耦合激光器中會產生相對中心頻率的連續頻移。

  實驗中,研究人員制造出由10個π耦合線激光器組成的陣列,連續頻率調諧范圍10GHz,輸出功率約為50~90mW,具體功率取決于陣列上有多少對π耦合激光器,光束發散度只有10°。

  研究人員目前還在構建一款動態范圍大于110dB的高動態范圍成像系統,可用于皮膚癌成像等多種應用。以往用于這項任務的激光器體積大、效率低且頻率不可調諧。

  加州大學洛杉磯分校物理與波電子學副教授Benjamin Williams表示:“這是一項非常出色的研究成果,在太赫茲波段,一般情況下很難同時實現良好光束模式和高功率。該技術的創新是開發出一種將多個線激光器連接在一起的新方法。該研究已證明,通過適當地間隔相鄰的線激光器,可誘導它們在相干的對稱超模式運行。另外,還有一個優勢是激光頻率可調諧到所需波長——這是光譜學和天體物理學研究需要的的重要特性。”

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  參考文獻《Phase-locked photonic wire lasers by π coupling》

  (王振 摘編自 激光網)

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