探析MIT太赫茲傳感和成像應用

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）研究人員設(shè)計的新一代太赫茲激光器是全球首個同時達到三個關(guān)鍵性能目標的激光器，這三個關(guān)鍵性能分別為：高恒定功率、窄波束模式和寬頻率調(diào)諧。因此，在化學傳感和成像的廣泛應用中極具價值。該優(yōu)化后激光器可用于即將到來的美國國家航空航天局（NASA）任務(wù)中的星際元素探測，該任務(wù)旨在了解更多關(guān)于我們星系的起源。地球上，高功率光子線激光器還可用于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(shè)計將多個基于半導體的高效線激光器配對，并迫使它們“鎖相”或同步振蕩。將陣列對的輸出組合在一起，產(chǎn)生發(fā)散度最小的單個高功率光束。對單個耦合激光器的調(diào)整允許寬頻率調(diào)諧，以提升測量中的分辨率和保真度。研究人員稱，實現(xiàn)三個關(guān)鍵性能指標意味著更低的噪音和更高的分辨率，以實現(xiàn)更可靠、更具成本效益的化學檢測和醫(yī)學成像。

“人們已經(jīng)在激光器中進行了頻率調(diào)諧，或制造了具有高光束質(zhì)量或具有高連續(xù)波功率的激光器。但每種設(shè)計都缺乏其他兩個因素，”本論文第一作者、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于芯片的太赫茲激光器中同時實現(xiàn)這三個指標?！苯榻B這款激光器的論文已于2018年12月10日發(fā)表在Nature Photonics上?！熬拖瘛靡粋€戒指來統(tǒng)治所有人’一樣，”Khalatpour補充道，他利用“指環(huán)王”中的流行語來表現(xiàn)新型激光器的特點。論文的共同作者有MIT電氣工程和計算機科學的杰出教授Qing Hu（曾在太赫茲量子級聯(lián)激光器方面做開創(chuàng)性工作）和桑迪亞國家實驗室的John L. Reno。

被NASA選中去年，NASA宣布了 “銀河系/銀河系外的超長飛行時間氣球光譜太赫茲天文臺（GUSTO）”任務(wù)，計劃在2021年發(fā)射搭載光子線激光器的高空氣球望遠鏡，用于探測“星際介質(zhì)（恒星之間的宇宙物質(zhì)）”中氧、碳及氮的排放。經(jīng)過幾個月后收集的大量數(shù)據(jù)，將有助于深入了解恒星的誕生和進化，并幫助繪制更多銀河系及附近大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud）等星系的地圖。NASA選擇了一種新型半導體太赫茲激光器作為GUSTO化學探測器的組件，來自MIT研究人員的先前設(shè)計。它也是目前性能最佳的太赫茲激光器。這種激光器特別適用于太赫茲輻射中氧濃度的光譜測量。太赫茲輻射是微波與可見光之間的電磁波譜帶。太赫茲激光器可向一種材料發(fā)射相干輻射，以提取這種材料的光譜“指紋”。不同材料吸收太赫茲輻射的程度不同，這意味著每種材料都有其獨特的指紋，顯示為譜線。這在1-5太赫茲范圍內(nèi)的探測來說價值尤為突出：對于違禁品檢測，***的波譜約為1.42太赫茲和3.94太赫茲，可卡因的波譜約為1.54太赫茲。

MIT研究人員設(shè)計的全球首個同時達到三個關(guān)鍵性能目標的微型太赫茲激光器圖片來源：MIT

多年來，Hu的實驗室長期致力于開發(fā)被稱為“光子線激光器”的新型量子級聯(lián)激光器。與許多激光器一樣，這些激光器是雙向的，即它們向相反方向發(fā)射光，這就降低了其功率。在傳統(tǒng)激光器中，這個問題可在激光器內(nèi)精密定位反射鏡輕松解決。但這個問題在太赫茲激光器中很難解決，因為太赫茲輻射太長，而激光器又太小，大部分光波都在激光器外傳播。在GUSTO選擇的激光器中，研究人員為線激光器波導（控制電磁波在激光器中的傳播方式）開發(fā)了一種新穎設(shè)計——單向發(fā)射。

該設(shè)計實現(xiàn)了高效率并保證了光束質(zhì)量，但它不能滿足NASA的頻率調(diào)諧要求。從化學領(lǐng)域獲取靈感在他們先前設(shè)計的基礎(chǔ)上，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(wěn)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(xiàn)了兩個或多個線激光器的鎖相。為了實現(xiàn)頻率調(diào)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于耦合激光器時，就會產(chǎn)生連續(xù)的頻移到耦合激光器的中心頻率。在實驗中，研究人員制造出由10個pi耦合線激光器組成的陣列。該激光器在約10千兆赫范圍內(nèi)進行連續(xù)頻率調(diào)諧，輸出功率約為50至90毫瓦，具體功率取決于陣列上有多少對pi耦合激光器。其光束發(fā)散度很低，只有10度，這是測量光束偏離焦點的距離。研究人員目前還在構(gòu)建一款動態(tài)范圍大于110分貝的高動態(tài)范圍成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于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。以往用于這項任務(wù)的激光器體積大、效率低且頻率不可調(diào)諧。研究人員新開發(fā)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(diào)諧功能。Khalatpour說：“擁有具有這些性能指標的平臺，可顯著提升成像能力并擴展其應用?！?/p>

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(shù)的創(chuàng)新是他們開發(fā)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，那么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?shù)亻g隔相鄰的線激光器，可誘導它們“想要”在相干的對稱超模式運行——這些所有超模式均為同步輻射。另外，還有一個優(yōu)勢是激光頻率可調(diào)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?！?/p>