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一起了解太赫兹激光器和太赫兹光谱仪研究新进展

2019-12-27 17:07:31

  据麦姆斯咨询报道,日本滨松光子学株式会社(以下简称滨松)于近日宣布,已成功地在太赫兹波段产生450μm的太赫兹波,日本光子学巨头称这是“在室温工作的单管半导体激光器所发射的世界上最长的波”。

  在发布的新闻中,滨松声称:“为了实现这一突破,我们根据太赫兹波产生原理的研究和分析结果,设计了该激光器的结构,并且已开发出长波中红外量子级联激光器。”

  “这项研究的结果将有助于药物和食品的质量检测与无损检测(这些药物和食品含有可吸收亚太赫兹范围电磁波的成分),以及亚毫米天文学和高速、大容量的短距离通信。”支持该项研发的相关证据和细节发表在Nanophotonics上。

  滨松于2018年开发了一款太赫兹非线性量子级联激光器,采用了反交叉双重高能态设计(AnticrossDAU™)。该量子级联激光器利用单管半导体器件产生两束6~11μm波长的中红外光,并诱发器件内部的非线性光学效应。

  作为紧凑型单管半导体激光器,该量子级联激光器可在室温工作,并产生150μm的太赫兹波。为了在亚太赫兹范围内产生更长的电磁波,必须先产生两束波长更长的中红外波。由于较长波长的光很可能在器件内被吸收,因此这项工作非常困难。

  研究人员评论道:“我们研究了许多量子级联激光器的特性,以阐明太赫兹非线性量子级联激光器中的波长转换过程。我们发现,可以在其中应用非线性光学效应理论(常被称为相干光整流),这是以前从未评估过的理论。”

  “通过将该理论应用到波长转换机制,利用非线性光学效应,我们优化了反交叉双重高能态设计,来抑制器件内部非必要的光吸收,从而输出两束14μm的长波中红外光,同时也增加了波长转换效率。通过这种方式,我们成功地在太赫兹范围内输出了450μm的太赫兹波,太赫兹范围是室温下单管半导体激光器所发射的世界上最长的波。”

  其它可能应用还包括亚毫米天文学,通过观察外太空的尘埃和气体来研究恒星的诞生与形成过程;但在外太空,仅利用可见光和红外线是看不见这些尘埃和气体的。由于太赫兹波波长在某种程度上比通常用于通信及在空中传播的无线电波短,因此可将其用于家庭、办公室或数据中心等场景下的高速、大容量的短距离通信。

  滨松表示,未来将计划通过改进量子级联激光器的结构设计、采用轻耦合结构以及适当的半导体衬底材料等方式,来提升太赫兹波的输出效率,从而开发出输出功率更高的器件。

  法国研究团队有了最新研究进展,有望提高利用太赫兹波进行化学分析的高分辨率光谱仪的灵敏度。这种更高灵敏度的光谱仪可应用于许多领域,例如分析工业排放中复杂的气体混合物,以及检测患者呼吸疾病的生物指标。这也可能催生利用气体探测来检测食品腐败的新方法。

  Gaël Mouret来自于法国Dunkerque的滨海大学(Université du Littoral Côte dOpale,ULCO),他领导研究团队设计出一种高性能的太赫兹频率光腔。研究人员利用该光腔,演示了首个有说服力的太赫兹腔增强光谱。该项研究已发表于Optica。

  “之前有几项研究已利用太赫兹频率来分析排放到大气中的工业气体,但受限于低灵敏度,这些研究都受到了阻碍,”研究团队成员Francis Hindle解释道。“我们的新光腔将扩大太赫兹气相光谱法可识别的分子类型,并提升检测水平。”

  研究人员利用新获得的元件,打造出高度精微太赫兹光腔、反射镜以及限制光多次反射的波导。高精微光腔表现出低光损,因此使得光在离开光腔前在镜子间的反射时间更长。

  太赫兹波发射前在新光腔中可来回反射3000多次。这意味着在这种长仅500mm的谐振腔内,被分析的分子与太赫兹频率相互作用的有效距离约为1km。“以往在太赫兹频率上这种巧妙设计的光腔是无法使用的,”Hindle认为。“这一进展促使太赫兹频段可应用于许多高灵敏度技术(这些技术已在红外领域应用)。”

  研究人员计划扩大光谱仪的频谱范围,这样就可以利用它来分析更复杂的分子及混合物。“我们的研究表明,目前制造高精微太赫兹腔比较容易,并且可以利用它来实现高分辨率气体探测。这将有助于改善目前在环境、工业污染、医药等领域中对各类低含量气体的监测。”返回搜狐,查看更多