极窄波束等离子体激光器问世，新型微激光器有望投入实际应用

激光自1960年问世至今，已经极大改变了我们的生活，它的应用涉及了生活中的方方面面：激光扫描仪、激光打印机、激光手术刀、激光光盘、激光通信等等。

激光发射自激光器。激光器核心——激光源可以是气体（气体激光器）也可以是固体（固体激光器）。激光可以有不同的色彩（波长）——从X射线激光（短波长）到可见光激光到远红外激光（长波长）。激光器可以像房子一样大（自由电子激光器）也可以握在掌中（半导体二极管激光器）。

在过去十年里，研究人员一直致力于激光器的小型化。目前，激光器小型化的热点已经转向了纳米激光器，而等离子激光器又是纳米激光器中体积最小的。

计算机和电子工程副教授苏施·库马尔（Sushil Kumar）称，等离子激光器的原理是：用金属薄片或纳米金属颗粒将光能约束在谐振腔中，激光自谐振腔发出。等离子激光器如此袖珍的秘诀在于：谐振腔内的金属薄片或纳米金属颗粒产生了表面等离子体激元（surfaceplasmon polaritons (SPPs)）效应，借此效应，激光光子可以在比激光波长还小的空间内产生。

等离子体激光器的这种特性使得其成为光学集成芯片的理想选择，这些芯片可以进行超快速数字信号处理。

但是，在等离子激光实用化之前，还有很多技术难关需要攻克。库马尔称，难点在于让光子从极小的腔体中发射出来。其次，即使光子能够出来，它们也发散得非常厉害。这使得等离子激光没什么实用价值。

之前的等离子激光器大多发射可见光和近红外激光。库马尔团队的等离子激光器则发射波长较长的太赫兹（1012赫兹）波段激光，因此也称太赫兹量子级联激光器（terahertz quantum-cascade lasers，QCL）。该团队的等离子激光器能发射目前最强的太赫兹激光，它可以被用于生物医药、分子谱分析、安检以及天文和大气科学领域。

然而，太赫兹量子级联激光器同样饱受光束散焦的困扰。库马尔团队发明了一种称为分布式反馈的方法来聚焦波束，借此获得波长为100微米的长波激光。储存激光能量的谐振腔由间距10微米的两块金属板组成，长、宽、高分别为10微米、100微米和1400微米。该系统的太赫兹激光波束宽度只有4度乘4度，是目前波束最窄的太赫兹激光。

库马尔在该项目上花费了4年的时间，最近他和他的团队成员——电子工程系博士生吴重兆（Chongzhao Wu，音译）、苏迪普·卡纳尔（Sudeep Khanal）和新墨西哥桑迪亚国家实验室纳米集成技术中心的约翰·L·雷诺（John L. Reno）在美国光学协会的《光学》（Optica）期刊发表了文章《极窄波束太赫兹等离子激光器》。



1970年代，科学家发现激光器谐振腔中的光栅通过布拉格散射，可以提供反馈，稳定激光器的震荡，进而让激光频率固定在一个值。这是分布式反馈的最早引入。

引入光栅的好处有二：一是可以稳定激光频率，滤去频率不符合要求的光子。二则是光栅还可以聚焦光束。聚焦后的光束可以远距离传输和引导到另一处。