滨松成功开发出突破性太赫兹激光器

滨松宣布推出世界上第一个可调谐频率范围为 0.42 至 2 THz 的量子级联激光器 (QCL) 模块。

QCL模块的外观

滨松的突破是通过分析控制太赫兹波产生的原理实现的，该原理提高了 QCL 的输出功率和高效外腔的配置，同时使用了滨松先进的光学设计技术。

这项研究的结果是产生窄带太赫兹波，同时仅切换一个 QCL 模块的频率。这项技术将有助于聚合物材料的识别，并提高提高含有可被太赫兹波吸收的药物成分、食品和半导体材料的质量评估和无损检测，以及高分子聚合物材料的识别等的准确性。此外，因为在实现超高速的无线通信中需要利用太赫兹波的特性，模块也被期待作为创新型的核心器件应用在未来超高速无线通信中。

Optica Publishing Group 在科学期刊 Photonics Research 的电子版中于 2022 年 2 月 22 日发表了这些研究成果。此研究的一部分受总务省“战略信息和通信研究与发展促进项目(SCOPE)”委托（受理号JP195006001）。

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研发背景

由于待测样品中所含成分各异，对于易于吸收的 太赫兹波的频率也会有所不同，利用这一特性，此次研究成果有望用于样品的质量评估、无损分析。此外，由于太赫兹波比高速通信标准“5G”所使用的频段频率还要高，因此该产品也有望用于下一代“6G”通信。

滨松公司在2018年通过利用独有的量子结构设计技术，采用反交叉双重高能态设计（AnticrossDAUTM），开发了太赫兹非线性QCL。此太赫兹非线性QCL可以根据样品中所含的成分，改变太赫兹波的频率并进行照射，再根据吸收率来提高分析精度。然而，目前还没有一种半导体激光光源可以在一个模块实现频率的变化。因此，滨松一直在研究和开发可改变频率的QCL模块。

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研发成果概要

此次研究中，滨松分析了QCL中太赫兹波的产生原理，并利用多年来积累的晶体生长技术和半导体工艺技术优化了内部结构。此外，滨松还分析了太赫兹波在QCL内部传播的原理，发现顶面与高阻硅透镜的连接可以提高太赫兹波的产生效率，将输出功率提高到以往的5倍以上。结合滨松公司独有的光学设计技术，并给QCL搭配合适的衍射光栅，形成一个高效的外部谐振器，再通过电控制衍射光栅，使倾斜度发生改变，进而实现世界上首个可在0.42～2 THz范围内产生任意频率的太赫兹波的QCL模块。

本次研究结果表明，待测样品中根据其不同成分，吸收频率不同的情况下，用一个模块切换频率并照射窄带太赫兹波来检查每种成分的吸收率，可以提高药物、食品和半导体材料的质量评估和无损检测的准确性。此外，它还有望应用于之前不易识别的塑料等高分子聚合物材料的识别。接下去，滨松也将继续深入研究QCL的散热结构，目标实现THz波稳定连续的工作，期待太赫兹波在观测宇宙空间的射电天 学等领域、数据传输速度达到每秒几百千兆的超高速大容量短距离无线通发展方向上的应用。

延伸阅读：关于太赫兹激光器 道的小回顾

1.2020年，美国科学家研制出最新款太赫兹激光器

美国科学家研制出一款紧凑型、在室温下工作、能广泛调谐的太赫兹激光器，是迄今性能最优异的太赫兹激光器，首次让太赫兹激光器可广泛应用于科技领域，有望在高带宽通信、超高分辨率成像、射电天 学等领域“大显身手”。

量子级联激光器泵入太赫兹激光的艺术效果图

图源：哈佛大学官

太赫兹频率范围位于电磁频谱(介于微波和红外线之间)的中间，可广泛应用于多个科术领域，但由于太赫兹频率激光光源体积大、效率低、调谐受限或必须在低温下工作，所以，这一区域的电磁频谱对大多数应用而言，仍可望而不可即。

有鉴于此，哈佛大学、麻省理工学院(MIT)和美国陆军合作，研制出了最新这款太赫兹激光器。相关论 发表于最新一期《科学》杂志。

此次研究的突破在于，使用了高度可调谐的量子级联激光器(QCL)作为光泵，能够有效产生可广泛调谐的光。哈佛大学的卡帕索·费德里科等人将这些量子级联激光泵与一氧化二氮激光器结合在一起，并优化了激光腔和透镜，产生了接近1太赫兹的频率。

诺贝尔奖获得者、马克斯·普朗克量子光学研究所的西奥多·汉斯并没有参与这项研究。他表示：“由量子级联激光器泵浦的分子太赫兹激光器结构紧凑坚固，提供了高功率和宽调谐范围，将开辟从传感到基础光谱的新应用领域。”

美国陆军航空与导弹中心高级技术专家亨利·埃弗里特称：“短距离、高带宽无线通信、超高分辨率雷达和光谱学等领域，都需要这种激光器。尤其是在测量星际介质的组成和温度等领域，星际分子在太赫兹区域拥有独特的光谱‘指纹’，天 学家已使用这些‘指纹’来测量其组成和温度，像最新激光器这样更好的地面太赫兹辐射源将使这些测量更灵敏、更精确。”

2 2020年 “高温”太赫兹激光器问世：不仅能用于安检，还能监测癌症

自人类发现电磁波以来，已经开发出了各种各样的应用方式，从手机扫码到打印技术，涵盖了从红外线到紫外线的大部分电磁波谱。但是，在这之外，还有一个关键区域至今未能得到应用——太赫兹波段。

太赫兹(Tera Hertz，THz)是波动频率单位之一，又称为太赫，或太拉赫兹。1THz=1x10^12Hz，通常用于表示电磁波频率。

而太赫兹波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”

太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱;利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天 学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。该技术技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。

但遗憾的是，目前这项技术并没有落地，产生足以进行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射需要远低于-73.15℃或更低的温度。这些温度只能通过体积庞大的设备来实现，这些设备限制了该技术在实验室环境外的应用。

不过近日，麻省理工学院和滑铁卢大学的研究人员开发了一种高功率、便携式的量子级联激光器，可以在实验室外产生太赫兹辐射。

该研究成果以发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上。

主导这项研究的麻省理工学院电气工程和计算机科学教授胡庆(音译)和其团队表示，他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达-23.15℃的环境下工作，这意味着只需一个小型便携式冷却器即可产生太赫兹辐射。

太赫兹量子级联激光器是一种嵌入芯片的微型半导体激光器，最早由意大利和英国研究人员发明于2002年。但是，要将其工作环境温度提高到-73.15℃以上非常困难。直到2009年，研究人员才将温度提高到-63.15℃。

这项研究再次将温度提升。该团队通过更精确地调整激光器的分层结构(难度极大，有些层只有7个原子厚)，来到了零下20度摄氏度左右，基本具备了应用的可能性。

意大利国家研究委员会纳米科学研究所的凝聚态物理学家米里亚姆·维蒂耶洛(Miriam Vitiello)评价道：“这是一项伟大的成就，提高太赫兹激光的(工作)温度一直是学界的长期目标”。

研究人员展示的新型激光器原型，下部为方形冷却器(图源：MIT)

这些激光器只有几毫米长，量子阱结构，带有精心定制的阱和屏障。在这个结构中，电子沿着一种阶梯“级联”，每一步都发射出一个轻粒子或光子。

除了将工作温度提高，这项研究的创新之二在于将激光器内的屏障高度增加了一倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下往往会增加。通常来说，势垒电子泄露会导致系统崩溃。

因此，该团队在激光器中的铝镓砷阻挡层中加入了更多的铝，希望能更好地限制电子。团队还必须防止电子以某种方式相互作用，导致它们通过铝镓砷屏障泄漏。

这项研究成果可以与太赫兹探测器协同工作，可能会推动太赫兹成像仪等技术的出现，这些技术能够在不进行活检的情况下区分皮肤癌和正常组织，或者探测货物中隐藏的爆炸物、非法药物和其他危险物品。

3.2019年 据说，太赫兹波段是单管半导体激光器发射的“世界上最长的波”

据麦姆斯咨询 道，日本滨松光子学株式会社（以下简称滨松）于近日宣布，已成功地在太赫兹波段产生450μm的太赫兹波，日本光子学巨头称这是“在室温工作的单管半导体激光器所发射的世界上最长的波”。

在发布的新闻中，滨松声称：“为了实现这一突破，我们根据太赫兹波产生原理的研究和分析结果，设计了该激光器的结构，并且已开发出长波中红外量子级联激光器。”

图为太赫兹非线性量子级联激光器（QCL）发射450μm的太赫兹波

“这项研究的结果将有助于药物和食品的质量检测与无损检测（这些药物和食品含有可吸收亚太赫兹范围电磁波的成分），以及亚毫米天 学和高速、大容量的短距离通信。”支持该项研发的相关证据和细节发表在Nanophotonics上。

研究背景

滨松于2018年开发了一款太赫兹非线性量子级联激光器，采用了反交叉双重高能态设计（AnticrossDAU?）。该量子级联激光器利用单管半导体器件产生两束6~11μm波长的中红外光，并诱发器件内部的非线性光学效应。

作为紧凑型单管半导体激光器，该量子级联激光器可在室温工作，并产生150μm的太赫兹波。为了在亚太赫兹范围内产生更长的电磁波，必须先产生两束波长更长的中红外波。由于较长波长的光很可能在器件内被吸收，因此这项工作非常困难。

研究人员评论道：“我们研究了许多量子级联激光器的特性，以阐明太赫兹非线性量子级联激光器中的波长转换过程。我们发现，可以在其中应用非线性光学效应理论（常被称为相干光整流），这是以前从未评估过的理论。”

“通过将该理论应用到波长转换机制，利用非线性光学效应，我们优化了反交叉双重高能态设计，来抑制器件内部非必要的光吸收，从而输出两束14μm的长波中红外光，同时也增加了波长转换效率。通过这种方式，我们成功地在太赫兹范围内输出了450μm的太赫兹波，太赫兹范围是室温下单管半导体激光器所发射的世界上最长的波。”

其它可能应用还包括亚毫米天 学，通过观察外太空的尘埃和气体来研究恒星的诞生与形成过程；但在外太空，仅利用可见光和红外线是看不见这些尘埃和气体的。由于太赫兹波波长在某种程度上比通常用于通信及在空中传播的无线电波短，因此可将其用于家庭、办公室或数据中心等场景下的高速、大容量的短距离通信。

滨松表示，未来将计划通过改进量子级联激光器的结构设计、采用轻耦合结构以及适当的半导体衬底材料等方式，来提升太赫兹波的输出效率，从而开发出输出功率更高的器件。

太赫兹气体分析仪

法国研究团队有了最新研究进展，有望提高利用太赫兹波进行化学分析的高分辨率光谱仪的灵敏度。这种更高灵敏度的光谱仪可应用于许多领域，例如分析工业排放中复杂的气体混合物，以及检测患者呼吸疾病的生物指标。这也可能催生利用气体探测来检测食品腐败的新方法。

ULCO的研究人员开发了一种光腔来提高太赫兹光谱学的灵敏度

Ga?l Mouret来自于法国Dunkerque的滨海大学（Université du Littoral C?te d’Opale，ULCO），他领导研究团队设计出一种高性能的太赫兹频率光腔。研究人员利用该光腔，演示了首个有说服力的太赫兹腔增强光谱。该项研究已发表于Optica。

“之前有几项研究已利用太赫兹频率来分析排放到大气中的工业气体，但受限于低灵敏度，这些研究都受到了阻碍，”研究团队成员Francis Hindle解释道。“我们的新光腔将扩大太赫兹气相光谱法可识别的分子类型，并提升检测水平。”

灵敏度得到提升

研究人员利用新获得的元件，打造出高度精微太赫兹光腔、反射镜以及限制光多次反射的波导。高精微光腔表现出低光损，因此使得光在离开光腔前在镜子间的反射时间更长。

太赫兹波发射前在新光腔中可来回反射3000多次。这意味着在这种长仅500mm的谐振腔内，被分析的分子与太赫兹频率相互作用的有效距离约为1km。“以往在太赫兹频率上这种巧妙设计的光腔是无法使用的，”Hindle认为。“这一进展促使太赫兹频段可应用于许多高灵敏度技术（这些技术已在红外领域应用）。”

研究人员计划扩大光谱仪的频谱范围，这样就可以利用它来分析更复杂的分子及混合物。“我们的研究表明，目前制造高精微太赫兹腔比较容易，并且可以利用它来实现高分辨率气体探测。这将有助于改善目前在环境、工业污染、医药等领域中对各类低含量气体的监测。”

4 .2018年 英国利兹大学研制出世界功率最大太赫兹激光器芯片

太赫兹辐射源是太赫兹频段应用的关键器件，而太赫兹量子级联激光器作为一种重要的太赫兹辐射源具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，应用前景广阔。近日，太赫兹量子级联激光器研究获得重大突破，世界功率最大的太赫兹激光器芯片问世英国。

英国利兹大学的研究人员开发出了世界上功率最大的太赫兹激光器芯片。工程与技术学院电子快 上 道利兹团队研制的量子级联太赫兹激光器的输出功率超过1W。新记录比去年维也纳团队的记录高出一倍以上。

太赫兹波具有广泛的潜在应用，包括检测药品、化学特征及爆炸物的遥感，以及人体内非侵入性癌症检测。然而，对科学家和工程师们的主要挑战之一是使激光器功率和紧凑结构能够满足之用要求。

电子与电气工程学院太赫兹电子专家埃德蒙林菲尔德教授指出，即使可以构建一个能够产生大功率太赫兹辐射的大型仪器，但其应用是非常有限的，我们需要的太赫兹激光器不仅能够提供高功率光源，而且还要实现便携式和低成本。利兹团队研制的太赫兹量子级联激光器的尺寸只有几个平方毫米。

林菲尔德教授说，这些激光器的工作过程非常微妙，不同的半导体材料，如砷化镓层建立了一个原子单层。我们精确地控制每一独立层的厚度和组成，构建半导体材料层数在1000到2000之间。我们突破新型激光器功率记录要归功于我们具有的利兹专业知识制造这些层状半导体材料，以及合理设计这些材料开发出高功率激光器件的能力。这项工作由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)资助。

世界功率最大太赫兹激光器芯片的研制成功对太赫兹激光器的发展及应用有着积极的意义，将加速太赫兹技术的产业化应用，虽然目前太赫兹激光器的应用仍受到限制，但是相信随着技术的不断进步，太赫兹激光器将能给社会的发展带来更大的作用。

5 2010年 超材料制成高定向太赫兹激光器

美国哈佛大学和英国利兹大学的一个联合研究小组最近演示了一种新型太赫兹半导体激光器，其发射的太赫兹光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。该激光器的研发成功，为太赫兹科技的应用打开了更广阔的领域。哈佛已经为此提交了一系列专利申请。这一进展发布在8月8日的《自然·材料》杂志上。

新型太赫兹激光器突破了传统材料的限制，研究人员刻了一组亚波长光栅，直接加倍了超材料晶面的光流量，设备以3太赫兹（百亿赫兹）的频率发射光线（波长为100微米，在可见光谱中属于远红外线），大大降低了这些半导体激光器的散射角度，同时保持了光能的高输出功率。

这种超材料被直接嵌入光学设备的高吸收性砷化镓晶面上，在演示中能看到，人造光显示出深浅不同的微米光栅，各具不同的功能。浅蓝色的狭缝能将输出的激光功率加倍，导向并限定在晶体表面。

太赫兹射线（T—rays）能穿透纸张、衣物、塑料和其他一些材料，在探测隐匿武器和生物制剂方面非常理想，在做肿瘤成像检测时对人体无伤害和副作用，还能探测材料内部诸如断裂之类的缺陷，也可用于星际稀薄化学物质的高灵敏探测。

研究人员卡帕索表示，新的人造光学设备，从晶面上发出的激光器非常紧密，瞄准度非常高，高度凝聚使光能有效聚集，这是昂贵且笨重的传统透镜达不到的。

另一位研究人员林菲尔德说，新的太赫兹激光器还能用于海关探测非法药品，并能检验生产和存储的药物是否合格。这种超材料还能用作一种演示的工具，同时还具有一些神奇的潜在功能，如用来研发隐身斗篷、负折射和高解晰图像。

研究的另一项重要意义就是这种超材料的光导作用。该设备产生的极强太赫兹光线，以直线光束导向激光晶面，这种超强的限定导向作用，还可应用于传感器和太赫兹光路。

https://www.sciencemag.org/news/2020/11/new-lasers-fire-terahertz-beams-could-propel-medical-imaging-and-contraband-detection

https://phys.org/news/2020-11-high-power-portable-terahertz-laser.html

参考资料：More information: Ali Khalatpour et al. Unidirectional photonic wire laser, Nature Photonics (2017). DOI: 10.1038/nphoton.2017.129

Phase-locked laser arrays through global antenna mutual coupling, Nature Photonics (2016) DOI: 10.1038/nphoton.2016.104 , www.nature.com/nphoton/journal … photon.2016.104.html

Terahertz-driven linear electron acceleration; Emilio A. Nanni, Wenqian R. Huang, Kyung-Han Hong, Koustuban Ravi, Arya Fallahi, Gustavo Moriena, R. J. Dwayne Miller & Franz X. K?rtner; Nature Communications, 2015; DOI: 10.1038/NCOMMS9486

圣同智能激光、前瞻经济学人、滨松光子、麦姆斯咨询/光电论坛，江苏激光联盟陈长军转载