Sammanslagning av strålar från högeffektiva terahertzlasrar med halvledarmetaskivsgitter

Skarpare ljus för att se det osynliga

Terahertzvågor ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus och kan tränga igenom kläder, plaster och till och med färgskikt utan de skadliga effekterna av röntgenstrålning. Forskare vill ha ljusstarka, ställbara terahertzlasrar för att kunna skanna kemikalier, droger och biomolekyler med hög precision, men dagens kompakta källor är antingen inte tillräckligt kraftfulla eller svåra att ställa in. Denna artikel visar hur man kan blanda strålarna från flera kraftfulla terahertzlasrar på en enda krets till en väluppförd, styrbar stråle med hjälp av små mönstrade strukturer som kallas metasurfaces.

Varför många strålar är bättre än en

En enda terahertz kvantkaskadlaser kan redan leverera imponerande effekt, men den brukar vanligtvis fungera på endast en färg, eller frekvens, åt gången. För tillämpningar som spektroskopi – att identifiera ämnen genom hur de absorberar ljus – är det betydligt mer användbart att ha en uppsättning tätt liggande färger som kan väljas elektroniskt. En strategi är att bygga en matris av många enfärgslasrar och sedan slå samman deras utsignaler så att de utåt sett uppträder som en enda ljusstark, ställbar källa. Utmaningen är att terahertzstrålar tenderar att vara stökiga och sprida sig snabbt, och de skrymmande linser och gitter som normalt används för att styra och kombinera dem fungerar dåligt i den trånga, kylda miljö dessa lasrar kräver.

Mikrospår som styr ljuset

Författarna angriper detta problem med skräddarsydda diffraktionsgitter – optiska element som omdirigerar ljus beroende på dess färg – byggda direkt på halvledarchip. Istället för klassiska sågtooth-spår skurna i ett massivt metallstycke använder de en "metasurface": en ultratunn smörgås av metall, galliumarsenid och mönstrade metallremsor som är mindre än terahertzvågens våglängd. Genom att noggrant välja skikttjocklekar samt remsornas avstånd och bredd skapar de en resonant struktur som pressar majoriteten av den inkommande energin i en önskad riktning samtidigt som enkel spegellik reflektion kraftigt dämpas. Simuleringar förutspådde att dessa gitter kunde omdirigera upp till ungefär 80 procent av inkommande ljus över ett relativt brett frekvensband centrerat kring 3,2 terahertz, och experiment bekräftade effektivitet så hög som 70 procent för en enskild enhet.

Bygga en kompakt laserorkester

På ett separat chip tillverkade teamet fyra ytemitterande terahertz kvantkaskadlasrar baserade på en tidigare design som använder en rad tätt kopplade mikrokaviteter för att producera ett enda, rent läge. Genom att variera avståndet mellan dessa mikrokaviteter något från en laser till en annan ställde de in varje enhet att lasra på sin egen färg, med frekvenssteg på ungefär 14 gigahertz – tillräckligt smått för att i princip dussintals sådana lasrar skulle kunna rymmas inom det aktiva materialets naturliga bandbredd. Varje laser producerade en enkel-axlad stråle med toppkrafter på hundratals milliwatt före någon sammanslagningsoptik, men strålarna lämnade chippet i olika vinklar och skulle normalt divergera bort från varandra.

Vägleda många färger i en bana

För att föra samman strålarna installerade forskarna en kompakt plastlins och två identiska metasurface-gitter sida vid sida på en kopparplatta inne i ett kryogent vakuumkammare. Linsen kollimerar först strålarna men gör dem inte parallella; deras riktningar skiljer sig fortfarande något eftersom lasrarna sitter på olika positioner. Det första metasurface-gittret böjer varje färgberoende stråle på ett noggrant valt sätt, och det andra gittret slutför korrigeringen så att, efter paret, överlappar alla fyra strålar i rummet och fortplantar sig nästan perfekt längs samma linje. Mätningar i fjärrfältet visar att fläckarna från alla fyra lasrar 35 centimeter bort ligger inom ungefär en tiondels grad från varandra och är åtskilda med mindre än en millimeter, vilket bildar en starkt kollimerad, elliptisk stråle med måttlig divergens.

Vad detta innebär för framtida terahertzverktyg

Även om den totala effekten som når detektorn – cirka 11 till 16 procent av vad lasrarna producerar direkt – är lägre än det teoretiska maxvärdet, identifierar författarna tydliga förbättringsvägar, främst genom att vidga gitterytorna så att de fångar hela strålen. Även i sin nuvarande form levererar systemet 50 till 100 milliwatt från varje laser efter sammanslagning, inom ett kompakt, helt integrerat kryogent paket. För icke-specialister är huvudbudskapet att detta arbete visar hur man kan slå samman flera ljusstarka terahertz-"toner" till ett ställbart "instrument" med hjälp av kretsskaliga strukturer istället för skrymmande optik. Med fler lasrar i matrisen och förfinade gitter kan detta tillvägagångssätt leda till praktiska, handhållna terahertz­spektrometrar som snabbt kan identifiera kemikalier, inspektera material eller undersöka biologiska prover med hög känslighet och utan fysisk kontakt.

Citering: 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

Nyckelord: terahertzlasrar, metasurfackgitter, strål­sammanslagning, kvantkaskadlasrar, spektroskopi