在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，加州大学洛杉矶分校（UCLA）亨利塞缪尔工程和应用科学学院研究人员已经发现了一种制备太赫兹频率半导体激光器的新方法。该课题组的论文《超材料腔表面激光器》已于近日发表在2015年最后一期《应用物理快报》期刊上(Luyao Xu et al, ’metasurface external cavity laser’, Appl. Phys. Lett. 107, 221105 (2015))。
UCLA电子工程系副教授本杰明·威廉姆斯带领的团队（包括诺斯罗普·格鲁曼公司航空航天系统的工程师），借助于UCLA的纳米电子研究设施，成功研发了第一个太赫兹垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。目前可见光波长范围内的VECSEL已经广泛用于发射高能光束，但在太赫兹频率范围内则之前未有应用。
太赫兹频率范围内的光波（处于微波和红外线的电磁频谱之间），可用于分析塑料、织物、半导体和艺术品，且不会损坏被检测的材料；化学检测和鉴定；研究行星的组成和大气组分。研究人员说，该新装置可作为一类新型高品质的激光器，用于空间探索，军事和安检等方面。
为了制备具有高品质光束的外腔激光器，研究人员先制备了一个带有“超材料表面镜反射阵”的 VECSEL，它包括许多小天线耦合激光腔的阵列，当太赫兹波击中阵列时，它不会“看见”空腔，而是被反射，如同被一个简单的平面镜所反射。不同于简单的平面镜，该反射镜不仅可以反射太赫兹波，同时还能对其进行放大。
图 不同于简单的平面镜，该反射镜不仅可以反射太赫兹波，还能对其进行放大。
“这是超材料表面和激光器的首次结合，”威廉姆斯说，“该VECSEL提供了一条在太赫兹波段输出高功率、高质量光束的途径，且该超材料表面的方法还有利于工程师进一步设计具有特定偏振、形状和光谱性质的输出光束。”
发射出对称的、长距离保持直线的和随温度变化的光束是许多半导体激光器尤其是太赫兹量子级联激光器的一大挑战，太赫兹量子级联激光器通常使用金属激光腔，其尺寸比波长更小。
“通过使用该放大的超材料表面作为外腔的一部分，我们不仅可以改善光束模式，而且可以通过激光器腔体的不同设计引入新的功能。” 威廉斯实验室的研究生，该文章第一作者许路遥说，“例如，通过使用一个独立的线栅偏振器或过滤器作为第二反射镜，我们就可以简单地通过旋转偏振器来优化激光器的输出功率和效率。”研究人员称他们正在做一些新的设计，来进一步改进该技术。
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