利用半导体超表面光栅实现高功率太赫兹激光的束合成

为看不见之物提供更清晰的光

太赫兹波处于微波与红外光之间，能够穿透衣物、塑料乃至油漆层，同时不像X射线那样有害。科学家希望拥有亮度高且可调的太赫兹激光来高精度扫描化学品、药物与生物分子，但现有的小型光源要么亮度不足，要么难以调谐。本文展示了如何在单芯片上用称为超表面的微型图案结构将多束高功率太赫兹激光合并为一束行为良好且可定向的光束。

多束胜过单束的理由

单个太赫兹量子级联激光器已经能输出可观功率，但通常一次只在一个频率（颜色）工作。对于像光谱学这种通过光吸收来识别物质的应用，具有一组相近可电子选择的频率更有用。一种策略是构建许多单色激光的阵列，然后将它们的输出合并，使外界看到的是单一且可调的强光源。挑战在于太赫兹光束往往不整洁且迅速发散，而通常用于引导和合并光束的体积大、笨重的透镜与光栅不易放入这些激光工作所需的狭小、低温环境中。

可引导光线的微小沟槽

作者用定制衍射光栅——根据颜色偏转光的光学元件——直接构建在半导体芯片上来解决这一问题。他们没有采用在金属上刻出的传统锯齿沟槽，而是使用一种“超表面”：由金属、砷化镓和小于太赫兹波长的图案化金属条组成的超薄夹层。通过精细选择层厚、条带间距与宽度，他们形成了一个共振结构，将大部分入射能量推向单一期望方向，同时强烈抑制简单的镜面反射。模拟预测这些光栅能够在以3.2太赫兹为中心的相当宽的频带内将多达约80%的入射光重定向，实验证实单个器件的效率可达70%左右。

构建紧凑的激光乐团

在另一块芯片上，团队制造了四个基于早期设计的表面发射太赫兹量子级联激光器，该设计使用一排强耦合微腔以产生单一、干净的模式。通过在相邻激光器之间略微改变这些微腔的间距，他们使每个器件在自己的频率上发射，频率步进约为14吉赫——足够小，以至于原则上数十个这样的激光器可以适配在有源材料的固有带宽内。每个激光器都在任何合并光学元件之前产生单瓣光束，峰值功率为数百毫瓦，但这些光束从芯片出射时方向不同，通常会相互发散开来。

将多种颜色引导入同一路径

为将光束汇聚，研究人员在低温真空腔内的铜板上并排安装了一个紧凑塑料透镜和两个相同的超表面光栅。透镜首先准直光束，但并未使它们完全平行；由于激光器位置不同，方向仍有细微差异。第一个超表面光栅按颜色有差别地弯折每束光，而第二个光栅完成修正，使得经过这一对光栅后，所有四束光在空间上重叠并几乎沿同一条直线传播。远场测量显示，在35厘米处，四束激光的光斑角度差在约十分之一度以内，位置相距不到一毫米，形成了一束紧密准直的椭圆形光束，发散度适中。

这对未来太赫兹工具意味着什么

尽管到达探测器的总体功率——约为激光器直接输出的11%到16%——低于理论最大值，作者指出了明确的改进途径，主要是通过加宽光栅以覆盖整个光束。即便在当前形式下，系统在合并后仍能从每个激光器输出50到100毫瓦，且封装紧凑、完全集成并可在低温下工作。对非专业读者来说，关键结论是：这项工作展示了如何用芯片级结构而非笨重光学元件，将几处明亮的太赫兹“音符”合并为一个可调的“乐器”。随着阵列中激光器数量的增加和光栅的改进，该方法有望带来实用的手持式太赫兹光谱仪，用于快速识别化学品、材料检验或无接触高灵敏度地探测生物样本。

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

关键词: 太赫兹激光, 超表面光栅, 束合成, 量子级联激光器, 光谱学