3毫米乘1.5毫米的半導(dǎo)體激光芯片上有10個(gè)激光器。左圖為原始大小，右圖是用掃描電鏡看到的一個(gè)諧振腔。圖中可見(jiàn)起分布式反饋?zhàn)饔玫谋〗饘倨鈻拧D片來(lái)源: Sushil Kumar

激光自1960年問(wèn)世至今，已經(jīng)極大改變了我們的生活，它的應(yīng)用涉及了生活中的方方面面：激光掃描儀、激光打印機(jī)、激光手術(shù)刀、激光光盤、激光通信等等。

激光發(fā)射自激光器。激光器核心——激光源可以是氣體（氣體激光器）也可以是固體（固體激光器）。激光可以有不同的色彩（波長(zhǎng)）——從X射線激光（短波長(zhǎng)）到可見(jiàn)光激光到遠(yuǎn)紅外激光（長(zhǎng)波長(zhǎng)）。激光器可以像房子一樣大（自由電子激光器）也可以握在掌中（半導(dǎo)體二極管激光器）。

在過(guò)去十年里，研究人員一直致力于激光器的小型化。目前，激光器小型化的熱點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向了納米激光器，而等離子激光器又是納米激光器中體積最小的。

計(jì)算機(jī)和電子工程副教授蘇施·庫(kù)馬爾（Sushil Kumar）稱，等離子激光器的原理是：用金屬薄片或納米金屬顆粒將光能約束在諧振腔中，激光自諧振腔發(fā)出。等離子激光器如此袖珍的秘訣在于：諧振腔內(nèi)的金屬薄片或納米金屬顆粒產(chǎn)生了表面等離子體激元（surfaceplasmon polaritons (SPPs)）效應(yīng)，借此效應(yīng)，激光光子可以在比激光波長(zhǎng)還小的空間內(nèi)產(chǎn)生。

等離子體激光器的這種特性使得其成為光學(xué)集成芯片的理想選擇，這些芯片可以進(jìn)行超快速數(shù)字信號(hào)處理。

但是，在等離子激光實(shí)用化之前，還有很多技術(shù)難關(guān)需要攻克。庫(kù)馬爾稱，難點(diǎn)在于讓光子從極小的腔體中發(fā)射出來(lái)。其次，即使光子能夠出來(lái)，它們也發(fā)散得非常厲害。這使得等離子激光沒(méi)什么實(shí)用價(jià)值。

之前的等離子激光器大多發(fā)射可見(jiàn)光和近紅外激光。庫(kù)馬爾團(tuán)隊(duì)的等離子激光器則發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的太赫茲（1012赫茲）波段激光，因此也稱太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（terahertz quantum-cascade lasers，QCL）。該團(tuán)隊(duì)的等離子激光器能發(fā)射目前最強(qiáng)的太赫茲激光，它可以被用于生物醫(yī)藥、分子譜分析、安檢以及天文和大氣科學(xué)領(lǐng)域。

然而，太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器同樣飽受光束散焦的困擾。庫(kù)馬爾團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種稱為分布式反饋的方法來(lái)聚焦波束，借此獲得波長(zhǎng)為100微米的長(zhǎng)波激光。儲(chǔ)存激光能量的諧振腔由間距10微米的兩塊金屬板組成，長(zhǎng)、寬、高分別為10微米、100微米和1400微米。該系統(tǒng)的太赫茲激光波束寬度只有4度乘4度，是目前波束最窄的太赫茲激光。

庫(kù)馬爾在該項(xiàng)目上花費(fèi)了4年的時(shí)間，最近他和他的團(tuán)隊(duì)成員——電子工程系博士生吳重兆（Chongzhao Wu，音譯）、蘇迪普·卡納爾（Sudeep Khanal）和新墨西哥桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米集成技術(shù)中心的約翰·L·雷諾（John L. Reno）在美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)的《光學(xué)》（Optica）期刊發(fā)表了文章《極窄波束太赫茲等離子激光器》。

基于光柵的分布式反饋

1970年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)激光器諧振腔中的光柵通過(guò)布拉格散射，可以提供反饋，穩(wěn)定激光器的震蕩，進(jìn)而讓激光頻率固定在一個(gè)值。這是分布式反饋的最早引入。

引入光柵的好處有二：一是可以穩(wěn)定激光頻率，濾去頻率不符合要求的光子。二則是光柵還可以聚焦光束。聚焦后的光束可以遠(yuǎn)距離傳輸和引導(dǎo)到另一處。

太赫茲等離子體激光器的示意圖。激光諧振腔是由2個(gè)金屬薄片和其間的空腔組成的，其中一個(gè)薄片刻有光柵孔。可以看到，不同顏色代表的不同頻率激光被約束在各自的10微米厚的諧振腔內(nèi)。圖片來(lái)源: Sushil Kumar

目前，基于光柵的激光器設(shè)計(jì)方案并不少，但等離子體激光器問(wèn)世較晚，因此適用的光柵方案還處在早期探索階段。庫(kù)馬爾稱，他的光柵方案源自微波工程領(lǐng)域的一項(xiàng)稱為“相控陣天線”（phased-arrayantenna）的技術(shù)。在雷達(dá)和衛(wèi)星通信領(lǐng)域廣泛采用的相控陣天線技術(shù)用多個(gè)小天線組成大天線陣，以此獲得單個(gè)小天線無(wú)法獲得的窄波束。這些特殊的，用薄金屬片制成的相控陣天線稱為微帶線，它通常被應(yīng)用于印刷電路板上來(lái)收發(fā)微波信號(hào)。微帶線的結(jié)構(gòu)類似于庫(kù)馬爾的光柵。

具體來(lái)說(shuō)，庫(kù)馬爾在組成諧振腔的2塊金屬板的其中一塊上按一定間隔刻出槽口，而槽口的間隔由激光的波長(zhǎng)、諧振腔體內(nèi)填充物的折射率和包繞諧振腔的介質(zhì)的折射率決定。

庫(kù)馬爾團(tuán)隊(duì)的分布式反饋技術(shù)具有2個(gè)特點(diǎn)。首先，將相控陣技術(shù)引入激光器是一項(xiàng)顯著的技術(shù)突破，因?yàn)槠洳煌诠腆w激光器通常使用的反饋控制技術(shù)。

其次，光柵（相控陣天線）技術(shù)在包繞諧振腔的介質(zhì)中引起了顯著的表面等離子激元效應(yīng)。所有的等離子體激光器都可以在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生表面等離子激元效應(yīng)，但庫(kù)馬爾團(tuán)隊(duì)的方案在包繞諧振腔的介質(zhì)（空氣或其他物質(zhì)）中也產(chǎn)生了表面等離子激元效應(yīng)。這是世界上首次。諧振腔外的表面等離子激元激發(fā)的光波同來(lái)自諧振腔體內(nèi)的光波作用，使得發(fā)射出去的激光光束非常窄。

庫(kù)馬爾和吳已經(jīng)為他們的設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利。該技術(shù)有助于幫助等離子體激光器，特別是太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器獲得窄波束，進(jìn)而掃清商業(yè)化的障礙。

庫(kù)馬爾團(tuán)隊(duì)獲得了2016年度TechConnect國(guó)家發(fā)明大獎(jiǎng)。他們?cè)谔峤唤o2016年TechConnect世界發(fā)明大會(huì)的一篇摘要中稱，安檢設(shè)備業(yè)界對(duì)該技術(shù)有濃厚興趣。

在雷諾的協(xié)助下啊，庫(kù)馬爾團(tuán)隊(duì)的激光器制造工作在利哈伊大學(xué)的光子和納米電子中心超凈室（Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics）通過(guò)分子束外延技術(shù)完成。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)從2011年至2014年資助了該項(xiàng)目。為了表彰庫(kù)馬爾在砷化鎵和鋁砷化鎵太赫茲激光諧振腔復(fù)合材料領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，他被授予2014年國(guó)家自然科學(xué)基金事業(yè)獎(jiǎng)。

庫(kù)馬爾目前獲得了美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的另一項(xiàng)資助，期望通過(guò)多激光諧振腔的鎖相技術(shù)，把太赫茲等離子激光器的發(fā)射功率提高到100毫瓦，同時(shí)光束寬度不超過(guò)5度。