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美国科学家开发出新型激光放射仪器

展会前线中国仪表网2006年09月11日 09:47人气:744

工程师和应用物理学家们已经为一种新的“即插即用”激光开发——拉曼注入式激光——打下基础,同时也为整个激光技术带来了数个关键性的革新。这种激光放射仪器结合了非线性光学设备和半导体注入式激光的优点,它不仅设计紧凑,而且可能有一天会在成像与探测领域得到广泛的应用。

  哈佛大学工程与应用物理学系的Mariano Troccoli, Ertugrul
Cubukcu和Federico Capasso,美国德克萨斯州农工大学的 Alexey
Belyanin,美国朗讯科技贝尔实验室的Deborah L.Sivco和Alfred
Y.Cho共同在2月24日的《自然》上发表了这一设备的概念模型的论证文献。这项研究部分由德克萨斯州农工大学的电信与信息学特别研究小组资助。

  传统的拉曼激光依靠一种被称为拉曼效应的基本物理学现象——即单色光线(例如激光)在穿过一种介质时,其频率会发生变化。一束密集而强烈的激光发出的光线,被称为“泵浦光源”,它能够使某些介质的分子从原有位置偏离,使其中的一些光子失去能量。结果,第二束激光就会从介质中产生,它的频率与第一束激光不同。

  “长期以来我们一直在使用拉曼激光,” Troccoli说。“一般来说,这种激光需要巨大而且强劲的外置泵浦光源来补偿光线的在穿过某种物质时产生的衰减、或减弱。而在我们的研究中,泵和光线穿过的物质是被放置到同一个设备中的。”

  这一研究小组将能量来源与拉曼物质合并起来实际上就是创造了一种激光中的激光,他们的研究已经为整个激光技术带来了数个关键性的新发明。注入式激光是第一个电流驱动的拉曼激光,实际上它可以接通电源直接使用。

  电流在物质的内部产生一束内部激光(泵浦光源),而这束激光反过来会产生拉曼激光辐射。因为泵浦光源是自发辐射的,所以这种仪器的效率略高,有30%的激光泵功率能够转换为拉曼激光。

  “这种‘俄罗斯套娃’式的层叠设计,带来了一个重要的物理学新发现,” Belyanin说,他也为撰写那篇阐述新型设备的文章提供了理论上的支持,而且从2001年开始她就和Capasso的研究小组开始将理论付诸实施。“现在泵浦光源辐射的频率能够被调整成与介质内部强大的电子共振相同。这使拉曼激光的增益扩大了5个数量级,这有点类似传统的拉曼激光发射装置,因为强大的吸收作用,它们必须避免共振现象。

  除了更高的性能以外,这种设备的体积虽然很小,却配备了一个高功率的冲子。

  “所有的东西都包含在单独一个数微米宽、数毫米长的共振腔中” Capasso说,他在十几年前与其它研究者合作开发了量子级联激光器。“这意味着会产生极为强烈的交互作用,而且无需高功率的电源就能够达到这一效果。”

  所以,发射激光的仪器将会做得更小,而覆盖区域可以小到一毫米。这与家用电器商业二极管激光发射装置诸——如DVD播放机,条形码读取器或者像矫正视力用的激光仪器等医用设备——的大小不相上下。

  这种新型的仪器利用分子束外延(MBE)制造,这种薄膜生长技术是由贝尔实验室在六十年代末期开发的,它广泛应用于诸如CD播放机这类的商业产品的生产中。在分子束外延状态下,原子是被“喷涂”到只有几个原子层厚的培基上来产生半导体薄膜。

  “也许最重要的是,这种新激光并不依赖传统的拉曼位移,”Troccoli强调说。“相反,它依靠的是内部电子振动模式,我们可以通过改变组成材料的层厚而实现在广阔范围内对装置进行设计、调整。这样一来,设备的应用变得更加灵活,并且让我们能够在室温条件下使用。我们可以把它设计在中红外线范围内发射激光,在这一范围内,大多数的分子都具有纪录吸收‘指纹’,并且最终它的应用会扩展到Terahertz范围(波长范围在3到0.003毫米),而在这一范围内,许多物体看起来都是透明的。”

  虽然现在产生的注入式激光还没有标准的拉曼激光那么高的强度,但是对它的研究已经克服了通向实际应用的基本困难。通过对相关物理学理论的进一步了解和改进设备的设计,研究者们希望他们的研究能够带来新一代的“可调式”小型激光装置,可以在不可见光谱的任何波长——包括 Terahertz 范围——进行操作。因为Terahertz 辐射能够轻易地穿透物品的包装和衣物,所以将来这种装置很有可能会应用到国家安全等方面。

  “我们的论文仅仅是论证这一概念并加以阐述,未来它很有可能会发展成为安全专家们梦寐以求的手持探测设备,只需要把这种无法察觉的光线照射到可疑物品藏匿的地方就能探测出是否藏有武器或爆炸物品等等,” Capasso解释说。“这项研究也代表了量子设计的重大进步,因为我们现在能够彻头彻尾地设计新的拉曼物质以及激光,并且针对特定的应用领域对其进行修改。”

  据Belyanin所述,相同的量子整合策略能够应用到其他许多非线性光学激光设备,为这一技术未来更为广泛的应用打下坚实的基础。
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