半導体メタサーフェス回折格子による高出力テラヘルツレーザーのビーム結合

見えないものを鮮明にする鋭い光

テラヘルツ波はマイクロ波と赤外線の間の領域にあり、衣類やプラスチック、さらには塗装層も有害なX線の影響なしに透過して観察できます。科学者たちは化学物質や薬物、生体分子を高精度で走査するために高輝度で可変なテラヘルツレーザーを求めていますが、現在の小型光源は十分な明るさがないか、あるいは周波数の調整が難しいという問題があります。本論文は、メタサーフェスと呼ばれる微細なパターン構造を用いて、複数の高出力テラヘルツレーザーのビームを単一チップ上で一つの振る舞いの良い、指向性のあるビームへと合成する方法を示します。

なぜ多数のビームが一つより優れるのか

単一のテラヘルツ量子カスケードレーザーでも印象的な出力を出せますが、通常は一度に一つの波長（周波数）で動作します。吸収によって物質を識別する分光のような用途では、電子的に選択可能な互いに近接した複数の波長がはるかに有用です。一つの戦略は、多数の単色レーザーを配列化し、それらの出力を合成して外部から見ると単一の明るく可変な光源に見せることです。課題は、テラヘルツビームが乱れやすくすぐに拡散してしまうことと、通常それらを制御・結合するために使われる大型のレンズや格子が、これらのレーザーが動作する狭く低温の環境には適さない点です。

光を操る微小な溝

著者らはこの問題に対し、半導体チップ上に直接形成したカスタム回折格子で応えます。色（周波数）に応じて光を方向付ける従来の金属のノコギリ状溝の代わりに、彼らは「メタサーフェス」を用いています。これは金属、ヒ化ガリウム（GaAs）、およびテラヘルツ波の波長より小さいパターン化された金属ストライプからなる極薄のサンドイッチ構造です。層の厚さやストライプの間隔・幅を精密に選ぶことで、入射エネルギーの大半を単一の望ましい方向へと送り、鏡面反射のような単純な反射を強く抑える共鳴構造を作り出せます。シミュレーションでは、これらの格子が中心周波数約3.2テラヘルツの比較的広い帯域で入射光の約80パーセントを方向付けできると予測され、実験では単一素子で最大70パーセントの効率が確認されました。

コンパクトなレーザーオーケストラの構築

別のチップ上では、チームは表面放出型のテラヘルツ量子カスケードレーザーを4基製作しました。これらはひとつの清澄なモードを生むために緊密に結合されたマイクロキャビティ列を用いる既存設計に基づいています。マイクロキャビティ間隔をレーザーごとにわずかに変えることで、各素子がそれぞれ固有の波長で発振するように設定し、周波数刻みは約14ギガヘルツでした。これは、理論的には活性材料の自然な帯域幅内に何十台ものレーザーを収められるほど小さな差です。各レーザーは結合光学素子を入れる前で数百ミリワットのピーク出力を持つ単葉状ビームを生成しましたが、ビームはチップから異なる角度で出射し、通常は互いに拡散して離れていきます。

多色を一つの経路に導く

ビームを合流させるために、研究者らは銅板上に小型のプラスチックレンズと2つの同一メタサーフェス回折格子を並べ、これを低温真空チャンバ内に設置しました。レンズはまずビームをコリメート（平行化）しますが完全には平行にせず、レーザーの位置差により方向はわずかに異なったままです。最初のメタサーフェス格子が色依存的に各ビームを慎重に曲げ、二つ目の格子が補正を完了することで、ペアを通過した後には4本すべてのビームが空間的に重なり、ほぼ同一線上を伝搬するようになります。遠方野の測定では、35センチ離れた位置で4つのレーザーのスポットが互いに約0.1度以内に収まり、間隔は1ミリ未満で、控えめな発散を持つきわめて良くコリメートされた楕円形ビームを形成していることが示されました。

将来のテラヘルツ機器にとっての意義

検出器に到達する総出力はレーザーが直接出す出力の約11〜16パーセントと、理論上の最大より低いものの、著者らはいくつかの明確な改善策を示しています。主に格子を広げて入射ビームを完全に取り込むことにより効率を高められます。現行の構成でも、合成後に各レーザーあたり50〜100ミリワットをコンパクトで統合された低温パッケージ内で出力しています。専門外の読者に向けた要点は、本研究がチップスケールの構造で大型光学系の代わりに複数の明るいテラヘルツ“音”を統合して可変“楽器”を作る道筋を示したことです。配列中のレーザー数を増やし、格子を洗練すれば、この手法は化学物質の即時同定、材料検査、非接触で高感度な生体試料の探査に適した実用的な手のひらサイズのテラヘルツ分光器への発展が期待できます。

引用: Fei Jia, Sadhvikas J. Addamane, and Sushil Kumar, "Beam combining of high-power terahertz lasers with semiconductor metasurface gratings," Optica 12, 1640-1646 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.553819

キーワード: テラヘルツレーザー, メタサーフェス回折格子, ビーム結合, 量子カスケードレーザー, 分光法