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      工程師和應(yīng)用物理學(xué)家們已經(jīng)為一種新的“即插即用”激光開發(fā)——拉曼注入式激光——打下基礎(chǔ)，同時也為整個激光技術(shù)帶來了數(shù)個關(guān)鍵性的革新。這種激光放射儀器結(jié)合了非線性光學(xué)設(shè)備和半導(dǎo)體注入式激光的優(yōu)點，它不僅設(shè)計緊湊，而且可能有一天會在成像與探測領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 

　　哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用物理學(xué)系的Mariano Troccoli, Ertugrul Cubukcu和Federico Capasso，美國德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的 Alexey Belyanin，美國朗訊科技貝爾實驗室的Deborah L.Sivco和Alfred Y.Cho共同在2月24日的《自然》上發(fā)表了這一設(shè)備的概念模型的論證文獻。這項研究部分由德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的電信與信息學(xué)特別研究小組資助。 

　　傳統(tǒng)的拉曼激光依靠一種被稱為拉曼效應(yīng)的基本物理學(xué)現(xiàn)象——即單色光線（例如激光）在穿過一種介質(zhì)時，其頻率會發(fā)生變化。一束密集而強烈的激光發(fā)出的光線，被稱為“泵浦光源”，它能夠使某些介質(zhì)的分子從原有位置偏離，使其中的一些光子失去能量。結(jié)果，第二束激光就會從介質(zhì)中產(chǎn)生，它的頻率與*束激光不同。 

　　“長期以來我們一直在使用拉曼激光，” Troccoli說。“一般來說，這種激光需要巨大而且強勁的外置泵浦光源來補償光線的在穿過某種物質(zhì)時產(chǎn)生的衰減、或減弱。而在我們的研究中，泵和光線穿過的物質(zhì)是被放置到同一個設(shè)備中的。” 

　　這一研究小組將能量來源與拉曼物質(zhì)合并起來實際上就是創(chuàng)造了一種激光中的激光，他們的研究已經(jīng)為整個激光技術(shù)帶來了數(shù)個關(guān)鍵性的新發(fā)明。注入式激光是*個電流驅(qū)動的拉曼激光，實際上它可以接通電源直接使用。 

　　電流在物質(zhì)的內(nèi)部產(chǎn)生一束內(nèi)部激光（泵浦光源），而這束激光反過來會產(chǎn)生拉曼激光輻射。因為泵浦光源是自發(fā)輻射的，所以這種儀器的效率略高，有30%的激光泵功率能夠轉(zhuǎn)換為拉曼激光。 

　　“這種‘俄羅斯套娃’式的層疊設(shè)計，帶來了一個重要的物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)，” Belyanin說，他也為撰寫那篇闡述新型設(shè)備的文章提供了理論上的支持，而且從2001年開始她就和Capasso的研究小組開始將理論付諸實施。“現(xiàn)在泵浦光源輻射的頻率能夠被調(diào)整成與介質(zhì)內(nèi)部強大的電子共振相同。這使拉曼激光的增益擴大了5個數(shù)量級，這有點類似傳統(tǒng)的拉曼激光發(fā)射裝置，因為強大的吸收作用，它們必須避免共振現(xiàn)象。 

　　除了更高的性能以外，這種設(shè)備的體積雖然很小，卻配備了一個高功率的沖子。 

　　“所有的東西都包含在單*個數(shù)微米寬、數(shù)毫米長的共振腔中” Capasso說，他在十幾年前與其它研究者合作開發(fā)了量子級聯(lián)激光器。“這意味著會產(chǎn)生極為強烈的交互作用，而且無需高功率的電源就能夠達到這一效果。” 

　　所以，發(fā)射激光的儀器將會做得更小，而覆蓋區(qū)域可以小到一毫米。這與家用電器商業(yè)二極管激光發(fā)射裝置諸——如DVD播放機，條形碼讀取器或者像矯正視力用的激光儀器等醫(yī)用設(shè)備——的大小不相上下。 

　　這種新型的儀器利用分子束外延（MBE）制造，這種薄膜生長技術(shù)是由貝爾實驗室在六十年代末期開發(fā)的，它廣泛應(yīng)用于諸如CD播放機這類的商業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中。在分子束外延狀態(tài)下，原子是被“噴涂”到只有幾個原子層厚的培基上來產(chǎn)生半導(dǎo)體薄膜。 

　　“也許zui重要的是，這種新激光并不依賴傳統(tǒng)的拉曼位移，”Troccoli強調(diào)說。“相反，它依靠的是內(nèi)部電子振動模式，我們可以通過改變組成材料的層厚而實現(xiàn)在廣闊范圍內(nèi)對裝置進行設(shè)計、調(diào)整。這樣一來，設(shè)備的應(yīng)用變得更加靈活，并且讓我們能夠在室溫條件下使用。我們可以把它設(shè)計在中紅外線范圍內(nèi)發(fā)射激光，在這一范圍內(nèi)，大多數(shù)的分子都具有紀錄吸收‘指紋’，并且zui終它的應(yīng)用會擴展到Terahertz范圍（波長范圍在3到0.003毫米），而在這一范圍內(nèi)，許多物體看起來都是透明的。” 

　　雖然現(xiàn)在產(chǎn)生的注入式激光還沒有標(biāo)準(zhǔn)的拉曼激光那么高的強度，但是對它的研究已經(jīng)克服了通向?qū)嶋H應(yīng)用的基本困難。通過對相關(guān)物理學(xué)理論的進一步了解和改進設(shè)備的設(shè)計，研究者們希望他們的研究能夠帶來新一代的“可調(diào)式”小型激光裝置，可以在不可見光譜的任何波長——包括 Terahertz 范圍——進行操作。因為Terahertz 輻射能夠輕易地穿透物品的包裝和衣物，所以將來這種裝置很有可能會應(yīng)用到國家安全等方面。 

　　“我們的論文僅僅是論證這一概念并加以闡述，未來它很有可能會發(fā)展成為安全專家們夢寐以求的手持探測設(shè)備，只需要把這種無法察覺的光線照射到可疑物品藏匿的地方就能探測出是否藏有武器或爆炸物品等等，” Capasso解釋說。“這項研究也代表了量子設(shè)計的重大進步，因為我們現(xiàn)在能夠徹頭徹尾地設(shè)計新的拉曼物質(zhì)以及激光，并且針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ溥M行修改。” 

　　據(jù)Belyanin所述，相同的量子整合策略能夠應(yīng)用到其他許多非線性光學(xué)激光設(shè)備，為這一技術(shù)未來更為廣泛的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。