據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員設(shè)計(jì)的新一代太赫茲激光器是全球首個(gè)同時(shí)達(dá)到三個(gè)關(guān)鍵性能目標(biāo)的激光器，這三個(gè)關(guān)鍵性能分別為：高恒定功率、窄波束模式和寬頻率調(diào)諧。因此，在化學(xué)傳感和成像的廣泛應(yīng)用中極具價(jià)值。該優(yōu)化后激光器可用于即將到來的美國國家航空航天局（NASA）任務(wù)中的星際元素探測(cè)，該任務(wù)旨在了解更多關(guān)于我們星系的起源。地球上，高功率光子線激光器還可用于改善皮膚和乳腺癌成像，檢測(cè)藥物和爆炸物等。該激光器的新穎設(shè)計(jì)將多個(gè)基于半導(dǎo)體的高效線激光器配對(duì)，并迫使它們“鎖相”或同步振蕩。將陣列對(duì)的輸出組合在一起，產(chǎn)生發(fā)散度最小的單個(gè)高功率光束。對(duì)單個(gè)耦合激光器的調(diào)整允許寬頻率調(diào)諧，以提升測(cè)量中的分辨率和保真度。研究人員稱，實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)意味著更低的噪音和更高的分辨率，以實(shí)現(xiàn)更可靠、更具成本效益的化學(xué)檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像。

“人們已經(jīng)在激光器中進(jìn)行了頻率調(diào)諧，或制造了具有高光束質(zhì)量或具有高連續(xù)波功率的激光器。但每種設(shè)計(jì)都缺乏其他兩個(gè)因素，”本論文第一作者、電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生Ali Khalatpour表示，“這是我們第一次在基于芯片的太赫茲激光器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)指標(biāo)?！苯榻B這款激光器的論文已于2018年12月10日發(fā)表在Nature Photonics上?！熬拖瘛靡粋€(gè)戒指來統(tǒng)治所有人’一樣，”Khalatpour補(bǔ)充道，他利用“指環(huán)王”中的流行語來表現(xiàn)新型激光器的特點(diǎn)。論文的共同作者有MIT電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的杰出教授Qing Hu（曾在太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器方面做開創(chuàng)性工作）和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的John L. Reno。

被NASA選中去年，NASA宣布了 “銀河系/銀河系外的超長飛行時(shí)間氣球光譜太赫茲天文臺(tái)（GUSTO）”任務(wù)，計(jì)劃在2021年發(fā)射搭載光子線激光器的高空氣球望遠(yuǎn)鏡，用于探測(cè)“星際介質(zhì)（恒星之間的宇宙物質(zhì)）”中氧、碳及氮的排放。經(jīng)過幾個(gè)月后收集的大量數(shù)據(jù)，將有助于深入了解恒星的誕生和進(jìn)化，并幫助繪制更多銀河系及附近大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud）等星系的地圖。NASA選擇了一種新型半導(dǎo)體太赫茲激光器作為GUSTO化學(xué)探測(cè)器的組件，來自MIT研究人員的先前設(shè)計(jì)。它也是目前性能最佳的太赫茲激光器。這種激光器特別適用于太赫茲輻射中氧濃度的光譜測(cè)量。太赫茲輻射是微波與可見光之間的電磁波譜帶。太赫茲激光器可向一種材料發(fā)射相干輻射，以提取這種材料的光譜“指紋”。不同材料吸收太赫茲輻射的程度不同，這意味著每種材料都有其獨(dú)特的指紋，顯示為譜線。這在1-5太赫茲范圍內(nèi)的探測(cè)來說價(jià)值尤為突出：對(duì)于違禁品檢測(cè)，***的波譜約為1.42太赫茲和3.94太赫茲，可卡因的波譜約為1.54太赫茲。

MIT研究人員設(shè)計(jì)的全球首個(gè)同時(shí)達(dá)到三個(gè)關(guān)鍵性能目標(biāo)的微型太赫茲激光器圖片來源：MIT

多年來，Hu的實(shí)驗(yàn)室長期致力于開發(fā)被稱為“光子線激光器”的新型量子級(jí)聯(lián)激光器。與許多激光器一樣，這些激光器是雙向的，即它們向相反方向發(fā)射光，這就降低了其功率。在傳統(tǒng)激光器中，這個(gè)問題可在激光器內(nèi)精密定位反射鏡輕松解決。但這個(gè)問題在太赫茲激光器中很難解決，因?yàn)樘掌澼椛涮L，而激光器又太小，大部分光波都在激光器外傳播。在GUSTO選擇的激光器中，研究人員為線激光器波導(dǎo)（控制電磁波在激光器中的傳播方式）開發(fā)了一種新穎設(shè)計(jì)——單向發(fā)射。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效率并保證了光束質(zhì)量，但它不能滿足NASA的頻率調(diào)諧要求。從化學(xué)領(lǐng)域獲取靈感在他們先前設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，Khalatpour從一個(gè)意想不到的來源——有機(jī)化學(xué)中獲得了靈感。在MIT上本科時(shí)，Khalatpour注意到了一條兩邊排列著原子的長聚合物鏈。它們是“pi-bonded”，意思是其分子軌道重疊使鍵合更穩(wěn)定。研究人員將“pi-bonded”的概念應(yīng)用到他們的激光器上，在陣列上本來獨(dú)立的線激光器之間建立緊密的連接。這種新型耦合方案實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)或多個(gè)線激光器的鎖相。為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧，研究人員使用微小的“旋鈕”來改變每根線激光器的電流，輕微改變光通過激光器的方式（這被稱為折射率）。

將這種折射率的變化應(yīng)用于耦合激光器時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的頻移到耦合激光器的中心頻率。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員制造出由10個(gè)pi耦合線激光器組成的陣列。該激光器在約10千兆赫范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)頻率調(diào)諧，輸出功率約為50至90毫瓦，具體功率取決于陣列上有多少對(duì)pi耦合激光器。其光束發(fā)散度很低，只有10度，這是測(cè)量光束偏離焦點(diǎn)的距離。研究人員目前還在構(gòu)建一款動(dòng)態(tài)范圍大于110分貝的高動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于皮膚癌成像等多種應(yīng)用。皮膚的癌細(xì)胞會(huì)比健康細(xì)胞更強(qiáng)烈地吸收太赫茲波，因此太赫茲激光器有可能探測(cè)到它們。以往用于這項(xiàng)任務(wù)的激光器體積大、效率低且頻率不可調(diào)諧。研究人員新開發(fā)的芯片尺寸器件不僅在輸出功率上匹配或超過了那些激光器，還提供了調(diào)諧功能。Khalatpour說：“擁有具有這些性能指標(biāo)的平臺(tái)，可顯著提升成像能力并擴(kuò)展其應(yīng)用?！?/p>

加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California at Los Angeles）物理與波電子學(xué)副教授Benjamin Williams表示：“這是一項(xiàng)非常出色的研究成果，在太赫茲波段一般情況下很難從同時(shí)具有良好光束模式的激光器中獲得高功率。該技術(shù)的創(chuàng)新是他們開發(fā)出一種將多個(gè)線激光器連接在一起的新方法。如果陣列中的所有激光器不以相位輻射，那么光束模式就會(huì)被破壞，這本來是很棘手的問題。該研究已證明，通過適當(dāng)?shù)亻g隔相鄰的線激光器，可誘導(dǎo)它們“想要”在相干的對(duì)稱超模式運(yùn)行——這些所有超模式均為同步輻射。另外，還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是激光頻率可調(diào)諧到所需波長——這是光譜學(xué)和天體物理學(xué)研究需要的的重要特性?！?/p>