Łączenie wiązek wysokoenergetycznych laserów terahercowych za pomocą półprzewodnikowych krat metapowierzchni

Ostre światło do obserwacji niewidzialnego

Fale terahercowe znajdują się pomiędzy mikrofalami a światłem podczerwonym i potrafią przenikać przez ubrania, tworzywa sztuczne, a nawet warstwy farby, nie niosąc ze sobą szkodliwych skutków promieniowania rentgenowskiego. Naukowcy potrzebują jasnych, strojalnych laserów terahercowych do skanowania chemikaliów, leków i biomolekuł z dużą precyzją, lecz współczesne kompaktowe źródła albo nie świecą wystarczająco jasno, albo trudno je stroić. W artykule pokazano, jak połączyć wiązki kilku silnych laserów terahercowych na jednym układzie scalonym w jedną uporządkowaną, sterowalną wiązkę, wykorzystując maleńkie struktury o wzorze zwane metapowierzchniami.

Dlaczego wiele wiązek jest lepsze niż jedna

Pojedynczy laser kaskady kwantowej w zakresie teraherców może już dostarczać imponującą moc, ale zazwyczaj pracuje tylko na jednym kolorze, czyli częstotliwości. Do zastosowań takich jak spektroskopia — identyfikacja substancji na podstawie tego, jak absorbują światło — znacznie bardziej użyteczne jest posiadanie zestawu blisko rozstawionych kolorów możliwych do elektronicznego wyboru. Jedną ze strategii jest zbudowanie matrycy wielu laserów jednoczęstotliwościowych i scalenie ich wyjść tak, by na zewnątrz wyglądały jak jedno jasne, strojalne źródło. Problem polega na tym, że wiązki terahercowe mają tendencję do bycia rozproszonymi i szybko się rozszerzają, a masywne soczewki i kratki używane zwykle do kierowania i łączenia ich nie pasują do ciasnego, chłodnego środowiska, którego wymagają te lasery.

Maleńkie rowki, które kierują światłem

Autorzy rozwiązują problem za pomocą niestandardowych kratek dyfrakcyjnych — elementów optycznych przekierowujących światło w zależności od jego barwy — zbudowanych bezpośrednio na półprzewodnikowych układach. Zamiast klasycznych ząbków wyciosanych w masywnym kawałku metalu, zastosowali „metapowierzchnię”: ultracienką kanapkę z metalu, arsenku galu i wzorzystych metalowych pasków mniejszych niż długość fali terahercowej. Poprzez staranny dobór grubości warstw oraz odstępów i szerokości pasków tworzą strukturę rezonansową, która kieruje większość padającej energii w jednym pożądanym kierunku, jednocześnie silnie tłumiąc prostą, lustrową refleksję. Symulacje przewidywały, że te kratki mogą przekierować do około 80 procent padającego światła w dość szerokim paśmie częstotliwości wokół 3,2 teraherca, a eksperymenty potwierdziły sprawności sięgające 70 procent dla pojedynczego urządzenia.

Budowanie zwartej orkiestry laserów

Na innym układzie zespół wykonał cztery emitujące powierzchniowo lasery kaskady kwantowej w paśmie terahercowym, oparte na wcześniejszym projekcie wykorzystującym rząd ciasno sprzężonych mikrokawitacji do wytworzenia pojedynczego, czystego trybu. Poprzez niewielkie zmiany odstępów między tymi mikrokawitacjami od jednego lasera do drugiego ustawili każdy element, aby pracował na nieco innej barwie, z krokami częstotliwości rzędu 14 gigaherców — na tyle małymi, że w zasadzie dziesiątki takich laserów mogłyby zmieścić się w naturalnej szerokości pasma materiału aktywnego. Każdy laser wytwarzał wiązkę o jednym płacie (single-lobed) z mocami szczytowymi rzędu setek miliwatów przed jakimikolwiek optykami łączącymi, ale wiązki opuszczały układ pod różnymi kątami i normalnie rozchodziłyby się od siebie.

Pokierowanie wielu kolorów jednym torem

Aby scalić wiązki, badacze zamontowali kompaktową soczewkę plastikową i dwie identyczne kratki metapowierzchniowe obok siebie na płycie miedzianej wewnątrz kriogenicznej komory próżniowej. Soczewka najpierw kolimuje wiązki, ale nie sprawia, że są równoległe; ich kierunki wciąż różnią się nieco, ponieważ lasery znajdują się w różnych pozycjach. Pierwsza kratka metapowierzchniowa załamuje każdą barwowo zależną wiązkę w starannie dobrany sposób, a druga kratka dopina korekcję tak, że po przejściu przez parę wszystkie cztery wiązki nakładają się w przestrzeni i poruszają się niemal idealnie wzdłuż tej samej linii. Pomiary w dalekim polu pokazują, że w odległości 35 centymetrów plamki ze wszystkich czterech laserów mieszczą się w obrębie około jednej dziesiątej stopnia od siebie i są rozdzielone o mniej niż milimetr, tworząc silnie skolimowaną, eliptyczną wiązkę o umiarkowanym rozbieżeniu.

Co to znaczy dla przyszłych narzędzi terahercowych

Chociaż całkowita moc docierająca do detektora — około 11 do 16 procent tego, co lasery wytwarzają bezpośrednio — jest niższa od teoretycznego maksimum, autorzy wyznaczają wyraźne ścieżki poprawy, głównie przez poszerzenie kratek tak, aby wychwytywały pełną wiązkę. Nawet w obecnej formie system dostarcza po 50–100 miliwatów z każdego lasera po łączeniu, w kompaktowej, w pełni zintegrowanej kriogenicznej obudowie. Dla laików kluczowy przekaz jest taki, że praca ta pokazuje, jak złączyć kilka jasnych terahercowych „nut” w strojalny „instrument” przy użyciu struktur na poziomie układu scalonego zamiast masywnych elementów optycznych. Z większą liczbą laserów w matrycy i udoskonalonymi kratkami podejście to może doprowadzić do praktycznych, mieszczących się w dłoni spektrometrów terahercowych zdolnych do szybkiej identyfikacji związków chemicznych, inspekcji materiałów lub badania próbek biologicznych z wysoką czułością i bez kontaktu fizycznego.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: lasery terahercowe, kratki metapowierzchni, łączenie wiązek, lasery kaskady kwantowej, spektroskopia