由瑞士联邦工学院、日本滨松公司以及量子级联激光器（QCL）的发明人之一哈佛大学的Federico Capasso领导的研究小组共同开发出了一种新型QCL，这种QCL能输出两种或多种波长的激光，或者在多个方向上输出激光。

实现这种QCL的关键技术在于等离子体，即控制量化的高频自由电子振荡形成等离子体。

该研究小组的成员曾经把一个亚波长光阑和一个金属光栅引入到QCL结构中，通过该光栅可以把部分激光能量耦合到表面等离子体上。研究人员进一步指出，如果等离子光栅具有与表面等离子体波长相同的周期，输出激光的发散角就会降低多个量级。^[1]

图：QCL激光器可以用一个等离子体光栅输出两种波长，或者用两个光栅在两个方向上输出一种波长。

 “能输出多个光束的激光器既有趣又有用，因此我们一直在努力创建这种激光器。”哈佛大学研究人员Nanfang Yu说，Yu是该项组的主要成员，研究当光栅周期不等于表面等离子体波长时的情况。

两个光栅，两路输出

这里发生干涉的结果是：两个不同周期的光栅可以耦合等离子体输出，因此，就会在两个方向上产生激光辐射。该研究小组制作了一个工作在8µm的QCL，其光栅间距为7.8µm和6µm，输出光束分开的角度大约20°。

 利用这种办法还可以进一步控制单个光束的强度，光栅越长即刻线数越多，辐射的光束就越强。

使用一个经过适当设计的等离体光栅建立两个不同的增益区域，该研究小组实现了空间分离的两个波长输出。基于这个方案，他们设计了工作波长为10.5µm和9.3µm的QCL，共用光栅的周期为8.5µm，两束光在空间上分开的角度为9°。^[2]

研究人员指出，单一光栅的方法始终需要在准直方面作出折中，因为不同的波长有着不同的优化光栅参数。Yu说：“这个QCL原型只是一个概念演示，然而我们可以实现相同波长或不同波长的多光束输出，这在理论上并没有什么限制。”

红外等离子体传输

与此同时，这个QCL激光器也展示出了中红外表面等离子体的基本特性。在可见光波段形成的等离子体只能传输几个波长，然后就被吸收或散射，然而计算表明红外波段的等离子体可以维持更长的时间，有几百个波长。

然而到目前为止，研究人员还没有证明这种结论。Yu说：“我们研制的QCL激光器的成功运作，很大程度上依赖于表面等离子体在器件表面很大范围内的扩散，这是中红外表面等离体低损耗传输的一个很好证明。”

Yu表示这种方法的真正意义在于多波长、大容量检测的应用，比如环境与大气传感应用。此外，其小型化多方向和多波长光源方面也会获得大量的潜在应用。

 “单一波长、双光束输出的器件对于干涉仪非常有用，这一般需要两个相干光束：探测光和参考光。”Yu说，“可以输出两个不同波长的器件是差分吸收激光雷达的理想选择，通过两个波长的吸收差可以定量确定气体浓度。”

 然而，许多应用都要求在二维尺度上进行准直，而不是现在的单一“刀口”准直。研究人员目前正在探索更加精细的方法，以更好地控制表面等离子体的扩散。

参考文献

1、Yu et al., Nature Photonics 2, p. 564 (2008).

2、Yu et al., App. Phys. Lett. 95, p. 161108 (2009).