由瑞士聯(lián)邦工學(xué)院、日本濱松公司以及量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）的發(fā)明人之一哈佛大學(xué)的Federico Capasso領(lǐng)導(dǎo)的研究小組共同開(kāi)發(fā)出了一種新型QCL，這種QCL能輸出兩種或多種波長(zhǎng)的激光，或者在多個(gè)方向上輸出激光。

實(shí)現(xiàn)這種QCL的關(guān)鍵技術(shù)在于等離子體，即控制量化的高頻自由電子振蕩形成等離子體。

該研究小組的成員曾經(jīng)把一個(gè)亞波長(zhǎng)光闌和一個(gè)金屬光柵引入到QCL結(jié)構(gòu)中，通過(guò)該光柵可以把部分激光能量耦合到表面等離子體上。研究人員進(jìn)一步指出，如果等離子光柵具有與表面等離子體波長(zhǎng)相同的周期，輸出激光的發(fā)散角就會(huì)降低多個(gè)量級(jí)。^[1]

圖：QCL激光器可以用一個(gè)等離子體光柵輸出兩種波長(zhǎng)，或者用兩個(gè)光柵在兩個(gè)方向上輸出一種波長(zhǎng)。

 “能輸出多個(gè)光束的激光器既有趣又有用，因此我們一直在努力創(chuàng)建這種激光器。”哈佛大學(xué)研究人員Nanfang Yu說(shuō)，Yu是該項(xiàng)組的主要成員，研究當(dāng)光柵周期不等于表面等離子體波長(zhǎng)時(shí)的情況。

兩個(gè)光柵，兩路輸出

這里發(fā)生干涉的結(jié)果是：兩個(gè)不同周期的光柵可以耦合等離子體輸出，因此，就會(huì)在兩個(gè)方向上產(chǎn)生激光輻射。該研究小組制作了一個(gè)工作在8µm的QCL，其光柵間距為7.8µm和6µm，輸出光束分開(kāi)的角度大約20°。

 利用這種辦法還可以進(jìn)一步控制單個(gè)光束的強(qiáng)度，光柵越長(zhǎng)即刻線數(shù)越多，輻射的光束就越強(qiáng)。

使用一個(gè)經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的等離體光柵建立兩個(gè)不同的增益區(qū)域，該研究小組實(shí)現(xiàn)了空間分離的兩個(gè)波長(zhǎng)輸出。基于這個(gè)方案，他們?cè)O(shè)計(jì)了工作波長(zhǎng)為10.5µm和9.3µm的QCL，共用光柵的周期為8.5µm，兩束光在空間上分開(kāi)的角度為9°。^[2]

研究人員指出，單一光柵的方法始終需要在準(zhǔn)直方面作出折中，因?yàn)椴煌�的波長(zhǎng)有著不同的優(yōu)化光柵參數(shù)。Yu說(shuō)：“這個(gè)QCL原型只是一個(gè)概念演示，然而我們可以實(shí)現(xiàn)相同波長(zhǎng)或不同波長(zhǎng)的多光束輸出，這在理論上并沒(méi)有什么限制。”

紅外等離子體傳輸

與此同時(shí)，這個(gè)QCL激光器也展示出了中紅外表面等離子體的基本特性。在可見(jiàn)光波段形成的等離子體只能傳輸幾個(gè)波長(zhǎng)，然后就被吸收或散射，然而計(jì)算表明紅外波段的等離子體可以維持更長(zhǎng)的時(shí)間，有幾百個(gè)波長(zhǎng)。

然而到目前為止，研究人員還沒(méi)有證明這種結(jié)論。Yu說(shuō)：“我們研制的QCL激光器的成功運(yùn)作，很大程度上依賴(lài)于表面等離子體在器件表面很大范圍內(nèi)的擴(kuò)散，這是中紅外表面等離體低損耗傳輸?shù)囊粋�(gè)很好證明。”

Yu表示這種方法的真正意義在于多波長(zhǎng)、大容量檢測(cè)的應(yīng)用，比如環(huán)境與大氣傳感應(yīng)用。此外，其小型化多方向和多波長(zhǎng)光源方面也會(huì)獲得大量的潛在應(yīng)用。

 “單一波長(zhǎng)、雙光束輸出的器件對(duì)于干涉儀非常有用，這一般需要兩個(gè)相干光束：探測(cè)光和參考光。”Yu說(shuō)，“可以輸出兩個(gè)不同波長(zhǎng)的器件是差分吸收激光雷達(dá)的理想選擇，通過(guò)兩個(gè)波長(zhǎng)的吸收差可以定量確定氣體濃度。”

 然而，許多應(yīng)用都要求在二維尺度上進(jìn)行準(zhǔn)直，而不是現(xiàn)在的單一“刀口”準(zhǔn)直。研究人員目前正在探索更加精細(xì)的方法，以更好地控制表面等離子體的擴(kuò)散。

參考文獻(xiàn)

1、Yu et al., Nature Photonics 2, p. 564 (2008).

2、Yu et al., App. Phys. Lett. 95, p. 161108 (2009).