麻省理工学院（MIT）研究人员设计的新一代太赫兹激光器是全球首个同时达到三个关键性能目标的激光器！

这三个关键性能分别为：高恒定功率、窄波束模式和宽频率调谐。因此，在化学传感和成像的广泛应用中极具价值。

该优化后激光器可用于即将到来的美国国家航空航天局（NASA）任务中的星际元素探测，该任务旨在了解更多关于我们星系的起源。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。

该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，产生发散度最小的单个高功率光束。对单个耦合激光器的调整允许宽频率调谐，以提升测量中的分辨率和保真度。研究人员称，实现三个关键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。

论文第一作者、电子工程和计算机科学研究生Ali Khalatpour表示，“这是我们第一次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现这三个指标。”介绍这款激光器的论文已于2018年12月10日发表在Nature Photonics上。论文的共同作者有MIT电气工程和计算机科学的杰出教授Qing Hu（曾在太赫兹量子级联激光器方面做开创性工作）和桑迪亚国家实验室的John L. Reno。

Khalatpour从一个意想不到的来源——有机化学中获得了灵感。在MIT上本科时，Khalatpour注意到了一条两边排列着原子的长聚合物链。它们是“pi-bonded”，意思是其分子轨道重叠使键合更稳定。研究人员将“pi-bonded”的概念应用到他们的激光器上，在阵列上本来独立的线激光器之间建立紧密的连接。这种新型耦合方案实现了两个或多个线激光器的锁相。

为了实现频率调谐，研究人员使用微小的“旋钮”来改变每根线激光器的电流，轻微改变光通过激光器的方式（这被称为折射率）。将这种折射率的变化应用于耦合激光器时，就会产生连续的频移到耦合激光器的中心频率。

在实验中，研究人员制造出由10个pi耦合线激光器组成的阵列。该激光器在约10千兆赫范围内进行连续频率调谐，输出功率约为50至90毫瓦，具体功率取决于阵列上有多少对pi耦合激光器。其光束发散度很低，只有10度，这是测量光束偏离焦点的距离。

研究人员目前还在构建一款动态范围大于110分贝的高动态范围成像系统，该系统可用于皮肤癌成像等多种应用。皮肤的癌细胞会比健康细胞更强烈地吸收太赫兹波，因此太赫兹激光器有可能探测到它们。以往用于这项任务的激光器体积大、效率低且频率不可调谐。研究人员新开发的芯片尺寸器件不仅在输出功率上匹配或超过了那些激光器，还提供了调谐功能。

Khalatpour说：“拥有具有这些性能指标的平台，可显著提升成像能力并扩展其应用。”

加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles）物理与波电子学副教授Benjamin Williams表示：“这是一项非常出色的研究成果，在太赫兹波段一般情况下很难从同时具有良好光束模式的激光器中获得高功率。该技术的创新是他们开发出一种将多个线激光器连接在一起的新方法。

如果阵列中的所有激光器不以相位辐射，那么光束模式就会被破坏，这本来是很棘手的问题。该研究已证明，通过适当地间隔相邻的线激光器，可诱导它们“想要”在相干的对称超模式运行——这些所有超模式均为同步辐射。另外，还有一个优势是激光频率可调谐到所需波长——这是光谱学和天体物理学研究需要的的重要特性。”