微型太赫茲激光器或成為醫(yī)療、工業(yè)成像和化學(xué)檢測領(lǐng)域巨大幫手
在電磁光譜上，位于微波和可見光中間的部分，被稱為太赫茲輻射波（THz，1012Hz），它在工業(yè)成像和化學(xué)檢測領(lǐng)域顯現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。但是，這些可行的應(yīng)用絕大部分都需要一個(gè)體型小巧且供能效率極高的太赫茲激光源，而傳統(tǒng)的供能方法十分笨重，且消耗大量能量。 Gc.P,K/hr
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近二十年來，麻省理工學(xué)院電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的胡清教授和他的研究小組一直致力于研究可以鑲嵌在微型芯片上的太赫茲激光源。就在最新一期的《自然光子學(xué)》雜志（Nature Photonics）上，來自桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）和多倫多大學(xué)（University of Toronto）的小組成員們揭露了一款可提高80%功率輸出的太赫茲激光器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。 E@a3~a
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蒼天不負(fù)有心人，由于他們的設(shè)計(jì)在各方面表現(xiàn)都十分突出，該小組被NASA聘去為GUSTO項(xiàng)目提供太赫茲激光源。GUSTO項(xiàng)目的成立是為了探究星際介質(zhì)的組成部分，而聘請他們的原因則是太赫茲激光可以從光譜學(xué)的角度來測量出氧氣的含量。由于這個(gè)項(xiàng)目需要向地球的高空大氣層中部署裝滿工具的氣球，所以太赫茲激光源一定要輕盈易攜帶。研究小組的新型設(shè)計(jì)是分布反饋式量子級聯(lián)激光器的改裝版本�！斑@是最好的一個(gè)切入點(diǎn)，所以我們就從這里著手了�！盡IT電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究生、報(bào)告的首席作者Ali Khalatpour這樣說，“它能讓太赫茲激光擁有最佳的表現(xiàn)�！� wdzOFDA
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但是，目前這個(gè)裝置有一個(gè)很大的不利條件，它總會(huì)自動(dòng)的向兩個(gè)相反的方向發(fā)射激光，而幾乎所有對太赫茲激光的應(yīng)用都是需要一個(gè)集中的激光源。這個(gè)缺陷就意味著有至少一半的能源是被無端浪費(fèi)掉的。對此，Ali Khalatpour和他的同事們想出了一個(gè)辦法，它可以將80%向錯(cuò)誤方向發(fā)射的激光導(dǎo)向至正確的方向。 NVIK>cT6
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圖1.一種新技術(shù)將裝有微型芯片的太赫茲激光器的功率輸出提高了88％ \^1+U JU
據(jù)Khalatpour解釋道，他們的設(shè)計(jì)成果不牽扯到任何特殊的增益介質(zhì)，也沒有對激光體本身的構(gòu)成材料進(jìn)行任何改變�！叭绻覀兡軌蜓芯砍鲆环N更好的增益介質(zhì)，我們可以輕易的將輸出的能量加到原本的兩倍�！盞halatpour說，“而正因?yàn)榇�，我們所取得突破是十分可貴的。一般來說，如果想要將輸出功率提升10%就需要進(jìn)行大量的改造工作�！� N3t0-6$_
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事實(shí)上，前文中提到的激光的雙向發(fā)射，是一種在絕大部分頻率激光中都存在的自然現(xiàn)象。對于一般的激光來說，只需在尾部加入幾面鏡子進(jìn)行反射就可以糾正它發(fā)射的方向了。而對于太赫茲激光來說，由于它的波長太長，而研究員們想要合成的激光——光激性線性激光的波長又很短，所以如果只加入幾面鏡子進(jìn)行反射的話，反射回來的只是原本激光所攜帶能量的一小部分，造成大量浪費(fèi)。 Z'^U ad6
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為了解決這個(gè)問題，Khalatpour和他的同事們決定引入一個(gè)新型激光的設(shè)計(jì)。一個(gè)量子級聯(lián)激光擁有一個(gè)很長的、矩形的波導(dǎo)。在波導(dǎo)內(nèi)，電場會(huì)隨波導(dǎo)的長度來引起一段電磁波，這就是所謂的“駐波”。這時(shí)，小組成員想到，由于電磁波是波紋狀的，所以它會(huì)與相反方向的電磁波完全重合。由于駐波是一個(gè)惰性的電波，一般只在波導(dǎo)內(nèi)活動(dòng)。因此胡青教授和他的小組成員會(huì)人工的在波導(dǎo)里增添裂縫，以便于太赫茲激光沖出波導(dǎo)�！熬秃帽仍谒苌香@個(gè)洞一樣，水管中的水會(huì)噴出來�！盞halatpour說。裂縫被放置在特定的地方，即只沿著波導(dǎo)的坐標(biāo)軸放置，這樣可以使波段重合以增強(qiáng)激光強(qiáng)度。 D2YZ9e
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Khalatpour和報(bào)告的副作者、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的John Reno以及多倫多大學(xué)材料科學(xué)系教授Nazir Kherani，在新一輪的工作中將反射器對應(yīng)的放在了波導(dǎo)裂縫的后面，這一步驟可以與波導(dǎo)的產(chǎn)出過程進(jìn)行無縫銜接。反射器較波導(dǎo)來說體型稍寬一些，它會(huì)將一段的激光強(qiáng)度增強(qiáng)，而將另一端的抵消。有一些在波導(dǎo)外部的太赫茲激光會(huì)回到反射其中，但是此裝置將80%另一端激光的能量導(dǎo)向了正確的方向。 3$vRW.c\q
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“他們有一種特殊的太赫茲量子級聯(lián)激光，稱為三等分布反饋式激光，目前是最為有效的一種產(chǎn)生高集中激光束的方式，它所產(chǎn)出的能量可以被應(yīng)用，也可以與單頻激光手術(shù)相配合，而且在光譜學(xué)上也有很大的應(yīng)用價(jià)值。”加州大學(xué)伯克利分校電子與計(jì)算機(jī)工程系副教授Ben Williams這樣說，“這是過去5、6年內(nèi)最為有效的方式，但是胡青教授的研究小組的設(shè)計(jì)所牽扯到的問題是，所產(chǎn)生激光的能量還是會(huì)從兩端泄露出去�！� P+MA*:
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“想要制造出太赫茲激光是一件和困難的事情，而他們卻將其中一半的能量給浪費(fèi)了，這不能稱得上是一個(gè)很好的結(jié)果�！盉en Williams說，“他們所用的方式，即迫使那些錯(cuò)誤方向的激光返回到正確的方向上是一種十分可行的方法。他們?nèi)匀粨碛幸粋�(gè)很高質(zhì)量的激光束，但是他們還是需要更加完善激光束整體的表現(xiàn)。”（來源：DeepTech深科技） UV}73Sp
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參考文章：http://news.mit.edu/2017/tiny-terahertz-laser-imaging-chemical-detection-0808
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