太赫兹半导体激光器问世

原文:THz Semiconductor Laser Revealed
翻译:Haoxian Zeng 于 水景一页

2010年8月10日,来自英国剑桥的消息,得益于新型太赫兹(THz波段)半导体激光器的出现——这种激光器发射的光束与传统的THz激光相比,只有非常小的发散——太赫兹科学和技术领域的应用可能会得到蓬勃发展。

这种“超材料构型”(metamaterial pattern)是直接在重掺杂GaAs的器件表面刻出来的。图中人工添加的色彩象征深浅不一的微米尺度的沟槽,它们有不同的功能。浅的“蓝色”沟槽有效地将激光耦合输出为面上的表面电磁波,并将其限制在面上。(图:哈佛大学工程与应用科学学院Federico Capasso实验室)

来自哈佛大学和利兹大学的应用科学家组成的合作小组表示,这一进展能够让人们开发出一种新型的半导体激光器,可用于安全放映、化学传感和天文学领域。哈佛大学已就这一发明提出专利申请。

这一发现是由博士后研究员Nanfang Yu(虞南方)和Federico Capasso,来自哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的应用物理学教授Robert L. Wallace 和电子工程高级研究员Vinton Hayes带头,与来自利兹大学电子与电气工程学院由Edmund Linfield带领的一个小组共同完成的。

深的“粉红色”沟槽形成一个有效光栅,将表面波的能量相干散射到远场。

深的“粉红色”沟槽形成一个有效光栅,将表面波的能量相干散射到远场。

太赫兹射线(T-rays)能够有效地穿透纸张、衣物、塑料以及其它很多种物质,使之在探测隐藏武器和生物战剂、无有害副作用肿瘤成像、材料内部缺陷(如裂缝)的测定点位等方面表现非常理想。太赫兹辐射还被用于对极小的星际化学浓聚物进行高灵敏度探测。

“遗憾的是,目前的太赫兹半导体激光器并不适合这些应用,因为它们的光束发散很宽——跟光从灯里面发射出来很相似”,Capasso说,“通过在激光器表面创建人工光学结构,我们已经有能力从这一器件中产生高度准直的(也就是集束)射线。这就可以产生高效聚集和集中的能量,而不需要常规的昂贵而笨重的透镜。”

也就是说,为了克服传统的限制,研究人员直接在量子级联激光器的表面雕刻出一个次波长宽沟槽的阵列,并为之取名为“超材料(metamaterial)。该器件发射频率为3 THz(或者说波长为100微米)的远红外光,在光谱的不可见光区域。

“我们的研究队伍已经能够极大的减小从这些半导体激光器发射光束的发散角,同时保持与普通器件相同的高功率输出,”Linfield说,“这种类型的激光器可以由海关官员用来检测非法物质,由制药厂商用来检测生产和储存的药品质量。”

超材料,能够提供自然界中可能并不存在的材料特性的人工工程材料的使用,对于研究人员的成功展示是具有决定意义的。虽然超材料在新型应用,如表面工程、负折射和高解析成像等领域很有潜力,但是它们在半导体器件领域的应用至今都很有限。

该器件与Mikhail A. Kats,Federico Cappaso 和 Nanfang Yu(均来自哈佛大学工程与应用科学学院)的照片。

该器件与Mikhail A. Kats,Federico Cappaso 和 Nanfang Yu(均来自哈佛大学工程与应用科学学院)的照片。

“在我们的研究中,超材料有两个方面的功能:强烈约束THz光从器件向激光器表面的发射并对光束进行准直。”Yu解释说,“超材料将THz波强烈束缚在表面的能力使其能够操纵光束来有效地应用于传感和THz光学回路等领域。”

论文第一作者、目前在哈佛大学工程和应用科学学院做博士后研究的虞南方在接受新华社记者电话采访时说,这项研究中的“超材料”在两方面有别于传统材料:其一,它增大了表面等离子体的光子动量,与自由空间光子的动量相比,前者更接近光源内部光子的动量;动量的匹配使大部分激光光能被转换为表面等离子体,而不是被直接散射到自由空间。其二,与可见光波段表面等离子体不同,太赫兹表面等离子体和传统材料表面的相互作用很弱,难于操纵;而“超材料”使表面等离子体局限在离器件表面小于一个波长的范围内,从而实现对表面等离子体的有效控制。(本段摘自搜狐科技新闻

该研究发表在《Nature Materials》(自然·材料)杂志8月8日那一期上。

该文的其它共同作者有前哈佛大学研究员、现工作于新加坡南阳理工大学的Qi Jie Wang;哈佛大学的研究生Mikhail A. Kats和博士后研究员Jonathan A. Fan;还有利兹大学的博士后研究员Suraj P. Khanna 和 Lianhe Li,教员A. Giles Davies。

该研究部分得到航空科研小组办公室(Air Force Office of Scientific Research)的支持。来自哈佛大学的作者声明还得到了国家纳米技术基础设施网络(National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN))的成员哈佛大学纳米系统中心( Center for Nanoscale Systems (CNS) )的支持。来自利兹大学的作者声明得到了英国工程和物理科学研究理事会(Engineering and Physical Sciences Research Council)的支持。

量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers)由贝尔实验室(Bell Labs)的Federico Capasso和他的团队于1994年首先发明和演示。在光谱上的中红外区域的较短波长范围里,这些常规工作在室温环境下的紧凑的毫米波长半导体激光器具有高的光功率,在从军事到民用的宽广范围内的商业应用增长迅速,包括红外反测量和化学传感。它们由交错堆积在半导体材料上的超薄原子层制成。通过改变原子层的厚度,就能够对该结构中的能级进行设计,从而制造出人工激光介质。

要获取更多信息,请访问: www.harvard.edu©

本文发表于水景一页。永久链接:<http://cnzhx.net/photonics/news/thz-semiconductor-laser-revealed/>。转载请保留此信息及相应链接。

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