麻省理工學院（MIT）研究人員設計的新一代太赫茲激光器是全球首個同時達到三個關鍵性能目標的激光器！

這三個關鍵性能分別為：高恒定功率、窄波束模式和寬頻率調諧。因此，在化學傳感和成像的廣泛應用中極具價值。

該優化後激光器可用於即將到來的美國國家航空航天局（NASA）任務中的星際元素探測，該任務旨在了解更多關於我們星系的起源。地球上，高功率光子線激光器還可用於改善皮膚和乳腺癌成像，檢測藥物和爆炸物等。

該激光器的新穎設計將多個基於半導體的高效線激光器配對，並迫使它們“鎖相”或同步振蕩。將陣列對的輸出組合在一起，產生發散度最小的單個高功率光束。對單個耦合激光器的調整允許寬頻率調諧，以提升測量中的分辨率和保真度。研究人員稱，實現三個關鍵性能指標意味著更低的噪音和更高的分辨率，以實現更可靠、更具成本效益的化學檢測和醫學成像。

論文第一作者、電子工程和計算機科學研究生Ali Khalatpour表示，“這是我們第一次在基於芯片的太赫茲激光器中同時實現這三個指標。”介紹這款激光器的論文已於2018年12月10日發表在Nature Photonics上。論文的共同作者有MIT電氣工程和計算機科學的傑出教授Qing Hu（曾在太赫茲量子級聯激光器方面做開創性工作）和桑迪亞國家實驗室的John L. Reno。

Khalatpour從一個意想不到的來源——有機化學中獲得了靈感。在MIT上本科時，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定。研究人員將“pi-bonded”的概念應用到他們的激光器上，在陣列上本來獨立的線激光器之間建立緊密的連接。這種新型耦合方案實現了兩個或多個線激光器的鎖相。

為了實現頻率調諧，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用於耦合激光器時，就會產生連續的頻移到耦合激光器的中心頻率。

在實驗中，研究人員製造出由10個pi耦合線激光器組成的陣列。該激光器在約10千兆赫範圍內進行連續頻率調諧，輸出功率約為50至90毫瓦，具體功率取決於陣列上有多少對pi耦合激光器。其光束發散度很低，隻有10度，這是測量光束偏離焦點的距離。

研究人員目前還在構建一款動態範圍大於110分貝的高動態範圍成像系統，該系統可用於皮膚癌成像等多種應用。皮膚的癌細胞會比健康細胞更強烈地吸收太赫茲波，因此太赫茲激光器有可能探測到它們。以往用於這項任務的激光器體積大、效率低且頻率不可調諧。研究人員新開發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，還提供了調諧功能。

Khalatpour說：“擁有具有這些性能指標的平台，可顯著提升成像能力並擴展其應用。”

加州大學洛杉磯分校（University of California at Los Angeles）物理與波電子學副教授Benjamin Williams表示：“這是一項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具有良好光束模式的激光器中獲得高功率。該技術的創新是他們開發出一種將多個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，那麼光束模式就會被破壞，這本來是很棘手的問題。該研究已證明，通過適當地間隔相鄰的線激光器，可誘導它們“想要”在相幹的對稱超模式運行——這些所有超模式均為同步輻射。另外，還有一個優勢是激光頻率可調諧到所需波長——這是光譜學和天體物理學研究需要的的重要特性。”