2018-12-11 21:24:02
用于传感和成像的太赫兹激光器优于其前代产品

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由麻省理工学院研究人员设计的太赫兹激光器是第一个同时达到三个关键性能目标 - 高恒定功率,紧束模式和宽电频调谐 - 因此可用于化学传感和成像的广泛应用。

优化的激光可用于探测即将到来的NASA任务中的星际元素,旨在更多地了解我们银河系的起源。在地球上,高功率光子线激光器还可用于改善皮肤和乳腺癌成像,检测药物和爆炸物等等。

激光器的新颖设计将多个基于半导体的高效线激光器配对,并迫使它们“锁相”或同步振荡。将阵列对的输出组合在一起产生单个高功率光束,光束发散度最小。对各个耦合激光器的调整允许进行宽频率调谐,以提高测量中的分辨率和保真度。研究人员说,实现所有三个性能指标意味着更低的噪音和更高的分辨率,以实现更可靠,更具成本效益的化学检测和医学成像。

“人们已经在激光器中进行了频率调谐,或制造了具有高光束质量或具有高连续波功率的激光器。但每种设计都缺乏其他两个因素,”电子工程和计算机科学研究生Ali Khalatpour表示。第一作者在一篇描述激光的论文中,今天发表在Nature Photonics上。 “这是我们第一次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现所有这三个指标。”

“就像'一个戒指来统治他们所有人',”Khalatpour补充道,他指的是“指环王”中的流行词。

加入Khalatpour的论文有:胡清,麻省理工学院电气工程和计算机科学的杰出教授,曾在太赫兹量子级联激光器方面做过开创性工作;桑迪亚国家实验室的John L. Reno。

被美国宇航局选中

去年,美国国家航空航天局宣布了银河/外河流ULDB光谱太赫兹天文台(GUSTO),这是一项2021年的任务,派遣高空气球望远镜携带光子线激光器,用于探测“星际介质”中的氧,碳和氮排放。恒星之间的宇宙物质。几个月后收集的大量数据将提供对恒星诞生和进化的深入了解,并帮助绘制更多的银河系和附近的大麦哲伦星系。

对于GUSTO化学探测器的一个组件,NASA选择了一种先前由麻省理工学院研究人员设计的新型半导体太赫兹激光器。它是目前性能最佳的太赫兹激光器。这种激光器特别适用于光谱测量太赫兹辐射中的氧浓度,即微波和可见光之间的电磁波谱带。

太赫兹激光可以将相干辐射发射到材料中,以提取材料的光谱“指纹”。不同的材料吸收不同程度的太赫兹辐射,这意味着每个材料都有一个独特的指纹,显示为谱线。这在1-5太赫兹范围内特别有价值:例如,对于违禁品检测,海洛因的签名在1.42和3.94太赫兹附近,可卡因在1.54太赫兹左右。

多年来,胡的实验室一直在开发新型量子级联激光器,称为“光子线激光器”。像许多激光器一样,它们是双向的,这意味着它们以相反的方向发光,这使它们不那么强大。在传统激光器中,通过在激光器体内精心定位的镜子可以轻松解决这个问题。但是太太很难用太赫兹激光器固定,因为太赫兹辐射很长,激光很小,大部分光线都在激光体外传播。

在为GUSTO选择的激光器中,研究人员开发了一种新颖的线激光器波导设计 - 控制电磁波沿激光传播的方式 - 单向发射。这实现了高效率和光束质量,但它不允许NASA要求的频率调谐。

从化学中获取一页

在他们之前的设计基础上,Khalatpour从不太可能的来源中获取灵感:有机化学。在麻省理工学院攻读本科课程时,Khalatpour注意到一条长的聚合物链,两侧有原子排列。它们是“π键合的”,意味着它们的分子轨道重叠,使键更稳定。研究人员将pi键合的概念应用于激光器,在这些激光器中,它们沿着阵列在其他独立的线激光器之间建立了紧密的连接。这种新颖的耦合方案允许两个或多个线激光器的相位锁定。

为了实现频率调谐,研究人员使用微小的“旋钮”来改变每个线激光器的电流,这会略微改变光通过激光的方式 - 称为折射率。当应用于耦合激光器时,折射率变化会产生连续频率偏移到该对的中心频率。

对于实验,研究人员制作了一组10个π耦合线激光器。激光器以大约10千兆赫的跨度进行连续频率调谐,功率输出大约为50至90毫瓦,具体取决于阵列上有多少π耦合激光器对。光束具有10度的低光束发散度,这是光束在距离上偏离光束的量度。

研究人员目前还正在建立一个高动态范围 - 大于110分贝的成像系统 - 可用于皮肤癌成像等许多应用。皮肤癌细胞比健康细胞更强烈地吸收太赫兹波,因此太赫兹激光可能会检测到它们。然而,先前用于该任务的激光器是巨大且低效的,并且不是频率可调的。研究人员的芯片尺寸器件在输出功率方面与这些激光器相匹配或超过这些器件,并提供调谐功能。

“拥有一个包含所有这些性能指标的平台......可以显着提高成像能力并扩展其应用,”Khalatpour说。

“这是非常好的工作 - 在THz [范围]中,很难从激光器获得高功率水平同时具有良好的光束模式,”加州大学洛杉矶分校物理和波电子学副教授Benjamin Williams说。洛杉矶。 “这项创新是他们用来将多线激光器耦合在一起的新方法。这很棘手,因为如果阵列中的所有激光器都不会同相辐射,那么光束图案就会被破坏。他们已经证明了这一点。通过适当地隔开相邻的线激光器,它们可以被诱导成“想要”以相干的对称超模运行 - 所有这些都以锁定的方式共同辐射在一起。作为奖励,激光频率可以被调谐到所需的波长 - 这是一个重要的特征。光谱学和...用于天体物理学。“

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