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新的高功率可调谐THz激光器将用于太空任务

发布:laserpulse    |    2019-01-06 18:03    阅读:556
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由麻省理工学院(MIT)的研究人员设计的新太赫兹(THz)激光器已经证明了高恒定功率,紧束模式和宽带的电频调谐 - 三种性能指标可能意味着更低的噪音和更高的分辨率,更可靠,更具成本效益的化学检测和医学成像。美国国家航空航天局(NASA)选择该激光器进行2021年的一项任务,以检测“星际介质”中的化学物质排放 - 即恒星之间的宇宙物质。

由麻省理工学院研究人员设计的微型太赫兹激光器是第一个同时达到三个关键性能目标的产品:高功率,紧束和宽频率调谐。

激光器设计是将多个基于半导体的线激光器配对,并引导激光器同步振荡(锁相)。通过沿着阵列在其他独立的线激光器之间建立紧密连接,研究人员允许两个或更多个线激光器的相位锁定。

为了构建具有NASA所需频率调谐功能的激光器,研究人员从不太可能的来源中获取灵感:有机化学。该团队知道具有沿两侧排列的原子的聚合物链是“π键合的”,这意味着它们的分子轨道重叠以使键更稳定。它将pi键合的概念应用于其激光器,通过pi(π)耦合锁相多个激光器。

研究人员使用微小的“旋钮”来改变每个线激光器的电流,这反过来又导致光通过激光器的方式略有变化。当应用于耦合激光器时,折射率的变化产生连续的频率偏移到该对的中心频率。对各个耦合激光器的调整允许进行宽频率调谐,以提高测量的分辨率和保真度。这几对的输出结合起来产生具有最小光束发散的单个高功率光束。

为了测试激光器,研究人员制造了一系列10π耦合线激光器。 激光器以大约10千兆赫兹(GHz)的跨度进行连续频率调谐,功率输出大约为50至90毫瓦(mW),这取决于阵列上有多少π耦合激光器对。光束表现出10度的低光束发散。

除了准备用于NASA任务的激光器外,研究人员还利用他们的激光技术构建了一个高动态范围成像系统 - 大于110分贝 - 可用于皮肤癌成像和其他应用。该团队表示,除了提供调谐功能外,其芯片尺寸的器件与输出功率较大、效率较低的太赫兹激光器相匹配或超过它。

据研究人员介绍,他们是第一台在一个激光器中实现连续波功率、高光束质量和频率调谐的太赫兹激光器。“人们已经在激光器中进行了频率调谐,或制造了具有高光束质量或高连续波功率的激光器。但每个设计缺乏其他两个因素,“研究员阿里卡拉普尔说。 “这是我们第一次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现所有这三个指标。 拥有一个包含所有这些性能指标的平台可以显着提高成像能力并扩展其应用程序。

关于太赫兹激光器:太赫兹(THz)激光器可以将相干辐射发送到材料中,以提取材料的光谱指纹。不同的材料会不同程度地吸收THz辐射,这意味着每种材料都有一个独特的指纹,显示为谱线。 这在1至5-THz范围内特别有价值。 例如,对于违禁品检测,海洛因的特征谱在1.42和3.94 THz左右,可卡因在1.54 THz左右。
      该研究发表在Nature Photonics(https://doi.org/10.1038/s41566
-018-0307-0)。

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