Et gennembrud inden for udvikling af multi-watt terahertz-lasere

Terahertz lasere kunne snart få deres øjeblik. Udsender stråling, der sidder et sted mellem mikrobølger og infrarødt lys langs det elektromagnetiske spektrum, terahertz lasere har været i fokus for intense undersøgelser på grund af deres evne til at trænge ind i almindelige emballagematerialer såsom plastik, stoffer, og pap og bruges til identifikation og påvisning af forskellige kemikalier og biomolekylære arter, og endda til billeddannelse af nogle typer biologisk væv uden at forårsage skade. Opfyldelse af terahertz-lasers potentiale for os afhænger af at forbedre deres intensitet og lysstyrke, opnås ved at forbedre udgangseffekt og strålekvalitet.

Sushil Kumar, lektor ved Lehigh University's Department of Electrical and Computer Engineering, og hans forskerhold arbejder på forkant med terahertz halvleder 'kvante-kaskade' laser (QCL) teknologi. I 2018, Kumar, som også er tilknyttet Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics (CPN) rapporterede om en enkel, men effektiv teknik til at forbedre effektudgangen af ​​single-mode lasere baseret på en ny type "distributed-feedback" mekanisme. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Natur Kommunikation og fik en masse opmærksomhed som et stort fremskridt inden for terahertz QCL-teknologi. Arbejdet blev udført af kandidatstuderende, inklusive Yuan Jin, overvåget af Kumar og i samarbejde med Sandia National Laboratories.

Nu, Kumar, Jin og John L. Reno fra Sandia rapporterer om endnu et terahertz-teknologigennembrud:de har udviklet en ny faselåsningsteknik til plasmoniske lasere og, gennem dens brug, opnået en rekordhøj effekt for terahertz-lasere. Deres laser producerede den højeste strålingseffektivitet for enhver enkeltbølgelængde halvlederkvantekaskadelaser. Disse resultater er forklaret i et papir, "Phase-locked terahertz plasmonic laser array med 2 W udgangseffekt i en enkelt spektral tilstand" offentliggjort i går i Optica .

"Så vidt vi ved, strålingseffektiviteten af ​​vores terahertz-lasere er den højeste demonstreret for nogen enkelt-bølgelængde QCL til dato og er den første rapport om en strålingseffektivitet på mere end 50 % opnået i sådanne QCL'er, " sagde Kumar. "Sådan en høj strålingseffektivitet slog vores forventninger, og det er også en af ​​grundene til, at udgangseffekten fra vores laser er væsentligt større, end hvad man tidligere har opnået."

For at forbedre den optiske effekt og strålekvaliteten af ​​halvlederlasere, forskere bruger ofte faselåsning, et elektromagnetisk kontrolsystem, der tvinger en række optiske hulrum til at udsende stråling i låsetrin. Terahertz QCL'er, som anvender optiske hulrum med metalbelægninger (beklædninger) til lys indeslutning, er en klasse af lasere kendt som plasmoniske lasere, der er berygtet for deres dårlige strålingsegenskaber. Der er kun et begrænset antal teknikker tilgængelige i tidligere litteratur, de siger, som kunne bruges til at forbedre strålingseffektiviteten og udgangseffekten af ​​sådanne plasmoniske lasere med betydelige marginer.

"Vores papir beskriver et nyt faselåsningsskema for plasmoniske lasere, der er tydeligt forskelligt fra tidligere forskning i faselåste lasere i den store litteratur om halvlederlasere, " siger Jin. "Den demonstrerede metode gør brug af vandrende overfladebølger af elektromagnetisk stråling som et værktøj til faselåsning af plasmoniske optiske hulrum. Effektiviteten af ​​metoden er demonstreret ved at opnå rekordhøj udgangseffekt for terahertz-lasere, der er blevet øget med en størrelsesorden sammenlignet med tidligere arbejde."

Vandrende overfladebølger, der forplanter sig langs metallaget i hulrummene, men udenfor i det omgivende medium af hulrummene i stedet for inde, er en unik metode, der er blevet udviklet i Kumars gruppe i de senere år, og som fortsætter med at åbne nye veje for yderligere innovation. Holdet forventer, at udgangseffektniveauet for deres lasere kan føre til samarbejde mellem laserforskere og applikationsforskere i retning af udvikling af terahertz-spektroskopi og sensingplatforme baseret på disse lasere.

Denne innovation inden for QCL-teknologi er resultatet af en langsigtet forskningsindsats fra Kumars laboratorium i Lehigh. Kumar og Jin udviklede i fællesskab den endeligt implementerede idé gennem design og eksperimenter over en periode på cirka to år. Samarbejdet med Dr. Reno fra Sandia National Laboratories gjorde det muligt for Kumar og hans team at modtage halvledermateriale til at danne det optiske kvantekaskademedium til disse lasere.

Den primære innovation i dette arbejde, ifølge forskerne, er i designet af de optiske hulrum, hvilket er noget uafhængigt af egenskaberne af halvledermaterialet. Det nyligt erhvervede induktivt koblede plasma (ICP) ætseværktøj på Lehighs CPN spillede en afgørende rolle i at skubbe ydeevnegrænserne for disse lasere, de siger.

Denne forskning repræsenterer et paradigmeskifte i, hvordan sådanne enkeltbølgelængde terahertz-lasere med smalle stråler udvikles og vil blive udviklet fremadrettet i fremtiden, siger Kumar, tilføjer:"Jeg tror, ​​at fremtiden for terahertz-lasere ser meget lys ud."