太赫兹激光器有望实现大规模商业应用

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就像那些劣质电影中和星际小说中的英雄选择武器时首先想到那样,都是激光武器,这种装置通过刺激原子或者分子激发出光子而产生相干电磁辐射束,但是这种技术改进的速度已经有点落伍了。

如今,激光已经在工业上有了很频繁的应用,而且在家庭办公室里的文件文件打印方面以及在家庭影院播放电影等应用上都有所涉及。不仅如此,它还出现在医学期刊和军事新闻中,但其余时间它基本上是仅仅被应用在被降低到读取条形码应用上,这真是大材小用了。

但激光仍然是很有意思的,利哈伊大学的Sushil Kumar坚持说,且将会有大片的潜在的创新,我们刚刚开始几个方面。在美国国家科学基金会(NSF)的支持下,他正有一个其应用探索的计划。

Kumar他是一名电子与计算机工程的副教授,特别关注电磁频谱中那些激光器相对未开发的频谱区域,即太赫兹(THz),或远红外线的频率。他是太赫兹半导体量子级联激光器技术前沿的一名研究员,他和他的同事们已经发布了高温环境下以及其他重要的性能特性,其激光器的结果也成为了新的世界纪录。

新研究有望实现太赫兹激光器大规模商业应用

他的研究目标是开发设备,进而开辟多种可能的应用如:生物、化学传感、光谱、炸药,以及对违禁材料、检测疾病的诊断,药物的质量控制,甚至在遥感天文学方面以了解恒星和星系的形成,这里只是仅仅举了几个例子。(这些都是相当酷的东西,会给人留下深刻的印象。)

然而,除了已知的优点,Kumar说,太赫兹激光器已得到充分利用和发掘;但高成本和功能的局限性阻碍了创新在多种领域的应用。然而Kumar认为,他有望真正释放太赫兹激光技术的应用潜力;他最近收到一批从美国国家科学基金会的资助,目标是研究高功率太赫兹激光器的相位锁定超窄光束阵列,创造太赫兹激光器相比目前的设备能产生更大的光强度,并为大规模的研究商业应用扫除障碍。

专注于解决方案

根据Kumar的描述,电磁波谱的太赫兹区域由于缺乏高功率的辐射源目前还没怎么被研究。现有的辐射源具有低输出功率且有一些其他不良的光谱特性,这使得它们在应用中严重不合适。他目前的项目旨在开发具有高达100毫瓦平均光功率的太赫兹半导体激光器,这将比现有的技术高过两个数量级,且有显著小于五度发散角的窄波束特性。

Kumar研究的量子级联激光器(QCL),这些设备最初发明是用于中红外辐射的发射。他们只是最近才开始在太赫兹频率上做一个尝试,在这个范围内,他们遇到了一些额外的挑战。在这个尖端的环境中,Kumar的小组是在世界上的少数的几个在这些可行的低成本激光器领域取得进展的研究小组。

Kumar研究量子级联激光器的方法将大大提高输出功率和光束质量。便携式电动制冷机将提供所需的半导体激光器芯片的冷却温度;这些将包含锁相量子级联激光器发射阵列,一系列离散太赫兹应用所需要的频率。

在以往的工作中,Kumar和他的研究小组表明,太赫兹激光器(发射波长约为100微米)可以利用一种称为分布反馈发出的光聚焦光束。其激光的光能量被限制在一个空腔,夹在两个金属板之间,其距离为10微米的距离。采用100微米乘以1400微米乘以10微米大小的箱型腔,研究团队生产的一个具有4度乘以4度的光束发散角的太赫兹激光,这种窄发散角的太赫兹激光器目前还没实现。

Kumar认为,目前大多数采用中红外激光器的企业会对这种强大的且能够负担起的太赫兹量子级联激光器感兴趣,而这种技术本身会产生新的解决方案。

“在开发人员可以写出“重量级APP”使它成为一个家庭产品之前,我们首先需要一个iPhone,”他说。“同样的,我们正在努力的这一项技术,可以让未来的研究人员以前所未有的方式改变世界。”

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