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美科学家发明室温下的太赫兹激光器

2008-05-30 17:03
论恒
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    据报道,这种世界上第一款室温太赫激光器利用相当于光学外差法的技术来弥合太赫鸿沟。目前,太赫鸿沟存在于大多数半导体激光无法工作的地方,在微波波长(厘米波)和光波长(微米波)之间,其间是毫米波——太赫。

    目前,在太赫兹频率工作的唯一激光器是超冷却量子级联激光器(QCL)。最近,QCL的共同发明人(1944年在贝尔实验室)、哈佛大学教授Federico Capasso已经证明,把在想要的太赫频率上的、空间分隔的、两个易于产生的光学频率,在非线性材料中利用外差法注入进行混合,就可以得到室温下的太赫激光器。

    “这种非线性光学材料的有趣特征在于,当由两个频率激发时,它们的要素分子会连贯地振动,不仅仅在称为‘泵频’的驱动频率上,而且在它们的差频上,”哈佛大学教授Federico Capasso说道,“因此,在材料的输出上,你不仅仅可以观察到泵频的光线,而且能够观察到差频的光线,这个过程类似于在无线电中广为采用的超外插原理。”

    通过选择易于在室温产生的光学波长,但是,其频差严格等于想要的太赫频率,Capasso和哈佛研究协会的Mikhail Belkin回避了太赫鸿沟所存在的问题,获得了工作在室温的太赫激光器。Capasso的研究小组所采用的两个光学激光器在室温下被证明频率分别为33.7-THz (8.9-微米波)和28.5-THz (10.5微米波),它们产生的差频为5.2 THz。

    “基本上,电子在这个频率被驱动至完全同相振荡,因此,产生相干太赫发射,”Capasso表示,“该器件的结构是红外线双中频QCL以及非线性材料这两者相结合,从而差生频率差。因为两个红外线中频是在室温下产生的,它们的频差显然也是在室温下产生的。以这种方式,我们成功地突破了THz QCL的极限,以前的器件迄今为止仅仅工作在低温条件下。”

    太赫扫描仪就像X射线一样工作,但是,它的功率水平对于使用它的周围的人来说是完全安全的。利用太赫扫描仪,机场可以检测出隐藏在衣服中的武器,以及在行李中的有害和有毒物质。太赫激光器也可以被用于远程监测在空气中漂浮的有害气体,从而为在一定距离上辨别临时放置好的爆炸设备提供一种潜在的解决方案。

    量子阱阶梯

    传统的激光器给电子注入能量,然后,从半导体的导带激发出一个中子,使之跳跃至价带。相比之下,量子级联激光器安排一个量子阱阶梯,每一个处于渐变的较低能级,从而允许电子沿着能量阶梯级联下来,在每一个阶梯上发射一颗中子。目前,量子级联激光器如果不做过冷处理就无法在太赫频段工作。然而,通过采用超外差架构,哈佛的研究人员证明,两个量子级联激光器的混合输出可以覆盖太赫兹频段。

    在非线性光学领域,超外差原理就是著名的差频产生(DFG)技术。当光线撞击非线性材料时,它们的行为就像线性谐振子一样,只有当频率匹配它们的自己的内部自然谐振频率时才会振荡。另一方面,像真空管和晶体管这样的非线性器件可以被制成在两个输入的合频以及差频上谐振,从而允许无线电在各个频带之间搬移信号,或者,对信号进行编解码。

    其它研究人员已经证明了利用DFG实现太赫激光的可行性,但是,要采用硕大的外部“泵”激光来证明其原理。哈佛大学的研究小组利用半导体材料完成了这个任务,如果一切进展顺利,最终将以廉价实现室温下器件的大规模生产。

    “我们的器件在一个微型半导体晶体上完成了一切,不需要利用硕大的外部激光做泵源,因此,优点在于紧凑、便携、低功耗,”Capasso表示,“实际上,器件的材料被设计和生长为当偏置电流作用在它上面时,激光器不仅仅发射出所产生的两个不同的红外线中频,而且以相应的差频产生相干辐射,在我们的情形下,就是在5太赫兹。”

    这种非线性器件像混频(产生合频与差频)那样工作的机制取决于所采用的材料。量子级联激光器在制造过程中采用了分子束外延,从镓和铝构成的轮换层上一次制成原子层。每一层原子层均比它前面的一层稍薄。

    下一步,哈佛的研究人员计划最优化它们的设计,以努力把输出功率从目前的纳瓦级提高至几个毫瓦。其中,一种解决方案就是把热电冷却装置加入到激光器的衬底上,因为激光工作温度越低,输出功率越大。其次,该小组计划把半导体材料的边缘发射转换为表面发射。

    “我们的方法将极大地增加用于发射的表面积,”Capasso说道,“通过制成一种合适的光栅,由它垂直地把器件有源区产生的太赫兹辐射分散,就可以实现表面辐射。”

    Belkin和Capasso的研究工作得到了Texas A&M大学的研究人员Feng Xie和Alexey Belyanin、以及瑞士苏黎世的ETH大学的研究人员Milan Fischer、Andreas Wittmann和Jrme Faist等人的协作。研究资金由美国Air Force Office of Scientific Research、国家科学基金以及两个基于哈佛的研究中心、美国纳米级科学和工程中心以及美国国家纳米科技基础设施网络下属的纳米级系统中心等单位提供。

  (编辑:于占涛)

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