Комбинирование пучков мощных терагерцовых лазеров с помощью полупроводниковых метаповерхностных решёток

Более чёткий свет для наблюдения невидимого

Терагерцовые волны располагаются между микроволнами и инфракрасным излучением; они проникают через одежду, пластик и даже слои краски, не оказывая вредного воздействия, как рентгеновские лучи. Учёные стремятся получить яркие, настраиваемые терагерцовые лазеры для точного сканирования химикатов, наркотиков и биомолекул, но современные компактные источники либо недостаточно яркие, либо трудно поддаются настройке. В этой работе показано, как объединить пучки нескольких мощных терагерцовых лазеров на одном чипе в один хорошо управляемый, направляемый пучок с помощью крошечных структур с заданным рисунком — метаповерхностей.

Почему несколько пучков лучше, чем один

Один терагерцовый лазер на квантовом каскаде уже может выдавать впечатляющую мощность, но обычно он работает на одной длине волны, то есть на одной частоте. Для задач вроде спектроскопии — определения веществ по их поглощению света — гораздо полезнее иметь набор близко расположенных частот, которые можно выбирать электронно. Один из подходов — собрать массив многих одноцветных лазеров и затем объединить их выходы так, чтобы снаружи они выглядели как один яркий, настраиваемый источник. Сложность в том, что терагерцовые пучки склонны к рассеянию и быстро расширяются, а громоздкие линзы и решётки, обычно используемые для управления и комбинирования, неудобны в тесных и охлаждаемых условиях, в которых работают эти лазеры.

Крошечные желобки, направляющие свет

Авторы решают эту задачу с помощью специально изготовленных дифракционных решёток — оптических элементов, перенаправляющих свет в зависимости от его частоты — созданных прямо на полупроводниковых чипах. Вместо классических пилообразных желобков в массивном куске металла они используют «метаповерхность»: ультратонкую «сэндвич»-структуру из металла, арсенида галлия и узорчатых металлических полос, размеры которых меньше длины волны терагерцового излучения. Тщательно выбирая толщину слоёв, шаг и ширину полос, они добиваются резонансной структуры, которая направляет большую часть входящей энергии в одно желаемое направление, одновременно сильно подавляя простое зеркальное отражение. Моделирование предсказывало, что такие решётки могут перенаправлять до примерно 80 процентов входящего света в довольно широком диапазоне частот, сосредоточенном около 3,2 терагерца, а эксперименты подтвердили эффективность до 70 процентов для отдельного устройства.

Создание компактного оркестра лазеров

На отдельном чипе команда изготовила четыре терагерцовых квантово- каскадных лазера с поверхностным излучением, основанных на более раннем дизайне, использующем ряд тесно связанных микрорезонаторов для генерации одного чистого модового состояния. Небольшое изменение расстояния между этими микрорезонаторами от лазера к лазеру заставляет каждое устройство излучать на своей собственной частоте, с шагами порядка 14 гигагерц — достаточно малыми, чтобы, в принципе, десятки таких лазеров могли уместиться в естественной полосе пропускания активного материала. Каждый лазер давал одностворчатый пучок с пиковой мощностью в сотни милливатт до любых комбинирующих оптических элементов, но пучки выходили из чипа под разными углами и в обычных условиях расходились бы друг от друга.

Направление множества частот в один путь

Чтобы объединить пучки, исследователи установили компактную пластиковую линзу и две идентичные метаповерхностные решётки бок о бок на медной пластине внутри криогенной вакуумной камеры. Линза сначала коллимирует пучки, но не делает их полностью параллельными; их направления всё ещё слегка различаются из-за разных положений лазеров. Первая метаповерхностная решётка отклоняет каждый зависимый от частоты пучок заданным образом, а вторая завершает коррекцию так, что после пары решёток все четыре пучка перекрываются в пространстве и почти идеально распространяются по одной линии. Измерения в дальнем поле показывают, что на расстоянии 35 сантиметров пятна от всех четырёх лазеров лежат в пределах примерно десятой доли градуса друг от друга и разделены менее чем на миллиметр, формируя сильно коллимированный эллиптический пучок с умеренной дивергенцией.

Что это значит для будущих терагерцовых приборов

Хотя доля общей мощности, доходящая до детектора — около 11–16 процентов от того, что лазеры выдают непосредственно — ниже теоретического максимума, авторы указывают ясные пути улучшения, в основном за счёт расширения решёток, чтобы захватывать полный пучок. Даже в текущем виде система даёт по 50–100 милливатт с каждого лазера после объединения в компактном, полностью интегрированном криогенном корпусе. Для неспециалиста главное сообщение такое: эта работа показывает, как объединять несколько ярких терагерцовых «нот» в настраиваемый «инструмент» с помощью чиповых структур вместо громоздкой оптики. С большим числом лазеров в массиве и усовершенствованными решётками этот подход может привести к практичным карманным терагерцовым спектрометрам, способным быстро идентифицировать химикаты, проверять материалы или исследовать биологические образцы с высокой чувствительностью и без контактного воздействия.

Цитирование: 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

Ключевые слова: терагерцовые лазеры, метаповерхностные решётки, комбинирование пучков, лазеры на квантовых каскадах, спектроскопия