極窄波束等離子體激光器問世，新型微激光器有望投入實際應用

3毫米乘1.5毫米的半導體激光晶元上有10個激光器。左圖為原始大小，右圖是用掃描電鏡看到的一個諧振腔。圖中可見起分散式反饋作用的薄金屬片光柵。圖片來源: Sushil Kumar

激光自1960年問世至今，已經極大改變了我們的生活，它的應用涉及了生活中的方方面面：激光掃描儀、激光印表機、激光手術刀、激光光碟、激光通信等等。

激光發射自激光器。激光器核心——激光源可以是氣體（氣體激光器）也可以是固體（固體激光器）。激光可以有不同的色彩（波長）——從X射線激光（短波長）到可見光激光到遠紅外激光（長波長）。激光器可以像房子一樣大（自由電子激光器）也可以握在掌中（半導體二極體激光器）。

在過去十年里，研究人員一直致力於激光器的小型化。目前，激光器小型化的熱點已經轉向了納米激光器，而等離子激光器又是納米激光器中體積最小的。

計算機和電子工程副教授蘇施·庫馬爾（Sushil Kumar）稱，等離子激光器的原理是：用金屬薄片或納米金屬顆粒將光能約束在諧振腔中，激光自諧振腔發出。等離子激光器如此袖珍的秘訣在於：諧振腔內的金屬薄片或納米金屬顆粒產生了表面等離子體激元（surfaceplasmon polaritons (SPPs)）效應，藉此效應，激光光子可以在比激光波長還小的空間內產生。

等離子體激光器的這種特性使得其成為光學集成晶元的理想選擇，這些晶元可以進行超快速數字信號處理。

但是，在等離子激光實用化之前，還有很多技術難關需要攻克。庫馬爾稱，難點在於讓光子從極小的腔體中發射出來。其次，即使光子能夠出來，它們也發散得非常厲害。這使得等離子激光沒什麼實用價值。

之前的等離子激光器大多發射可見光和近紅外激光。庫馬爾團隊的等離子激光器則發射波長較長的太赫茲（1012赫茲）波段激光，因此也稱太赫茲量子級聯激光器（terahertz quantum-cascade lasers，QCL）。該團隊的等離子激光器能發射目前最強的太赫茲激光，它可以被用於生物醫藥、分子譜分析、安檢以及天文和大氣科學領域。

然而，太赫茲量子級聯激光器同樣飽受光束散焦的困擾。庫馬爾團隊發明了一種稱為分散式反饋的方法來聚焦波束，藉此獲得波長為100微米的長波激光。儲存激光能量的諧振腔由間距10微米的兩塊金屬板組成，長、寬、高分別為10微米、100微米和1400微米。該系統的太赫茲激光波束寬度只有4度乘4度，是目前波束最窄的太赫茲激光。

庫馬爾在該項目上花費了4年的時間，最近他和他的團隊成員——電子工程系博士生吳重兆（Chongzhao Wu，音譯）、蘇迪普·卡納爾（Sudeep Khanal）和新墨西哥桑迪亞國家實驗室納米集成技術中心的約翰·L·雷諾（John L. Reno）在美國光學協會的《光學》（Optica）期刊發表了文章《極窄波束太赫茲等離子激光器》。

基於光柵的分散式反饋

1970年代，科學家發現激光器諧振腔中的光柵通過布拉格散射，可以提供反饋，穩定激光器的震蕩，進而讓激光頻率固定在一個值。這是分散式反饋的最早引入。

引入光柵的好處有二：一是可以穩定激光頻率，濾去頻率不符合要求的光子。二則是光柵還可以聚焦光束。聚焦後的光束可以遠距離傳輸和引導到另一處。

太赫茲等離子體激光器的示意圖。激光諧振腔是由2個金屬薄片和其間的空腔組成的，其中一個薄片刻有光柵孔。可以看到，不同顏色代表的不同頻率激光被約束在各自的10微米厚的諧振腔內。圖片來源: Sushil Kumar

目前，基於光柵的激光器設計方案並不少，但等離子體激光器問世較晚，因此適用的光柵方案還處在早期探索階段。庫馬爾稱，他的光柵方案源自微波工程領域的一項稱為「相控陣天線」（phased-arrayantenna）的技術。在雷達和衛星通信領域廣泛採用的相控陣天線技術用多個小天線組成大天線陣，以此獲得單個小天線無法獲得的窄波束。這些特殊的，用薄金屬片製成的相控陣天線稱為微帶線，它通常被應用於印刷電路板上來收發微波信號。微帶線的結構類似於庫馬爾的光柵。

具體來說，庫馬爾在組成諧振腔的2塊金屬板的其中一塊上按一定間隔刻出槽口，而槽口的間隔由激光的波長、諧振腔體內填充物的折射率和包繞諧振腔的介質的折射率決定。

庫馬爾團隊的分散式反饋技術具有2個特點。首先，將相控陣技術引入激光器是一項顯著的技術突破，因為其不同於固體激光器通常使用的反饋控制技術。

其次，光柵（相控陣天線）技術在包繞諧振腔的介質中引起了顯著的表面等離子激元效應。所有的等離子體激光器都可以在諧振腔內產生表面等離子激元效應，但庫馬爾團隊的方案在包繞諧振腔的介質（空氣或其他物質）中也產生了表面等離子激元效應。這是世界上首次。諧振腔外的表面等離子激元激發的光波同來自諧振腔體內的光波作用，使得發射出去的激光光束非常窄。

庫馬爾和吳已經為他們的設計申請了專利。該技術有助於幫助等離子體激光器，特別是太赫茲量子級聯激光器獲得窄波束，進而掃清商業化的障礙。

庫馬爾團隊獲得了2016年度TechConnect國家發明大獎。他們在提交給2016年TechConnect世界發明大會的一篇摘要中稱，安檢設備業界對該技術有濃厚興趣。

在雷諾的協助下啊，庫馬爾團隊的激光器製造工作在利哈伊大學的光子和納米電子中心超凈室（Lehighs Center for Photonics and Nanoelectronics）通過分子束外延技術完成。美國國家科學基金會從2011年至2014年資助了該項目。為了表彰庫馬爾在砷化鎵和鋁砷化鎵太赫茲激光諧振腔複合材料領域的傑出貢獻，他被授予2014年國家自然科學基金事業獎。

庫馬爾目前獲得了美國國家自然科學基金會的另一項資助，期望通過多激光諧振腔的鎖相技術，把太赫茲等離子激光器的發射功率提高到100毫瓦，同時光束寬度不超過5度。

參考：Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.3.000734

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