最近，科學家研制出一種新型米粒大小的便攜式太赫茲激光器，其工作溫度為250K（-23℃），可用于餅干大小的插入式冷卻器。這項研究將推動太赫茲激光器在醫(yī)學成像、通信、質(zhì)量控制、安全和生物化學等諸多領域“大顯身手”。

太赫茲激光器位于小型方形冷卻器上 此前，緊湊的、基于芯片的激光器已經(jīng)征服了從紫外到紅外的大部分電磁光譜，使得從數(shù)字通信和條形碼讀取器到激光筆和打印機的技術成為可能。但光譜的一個關鍵區(qū)域仍未被控制——位于紅外線和微波之間的太赫茲波段。 工程師們渴望找到一種現(xiàn)成的太赫茲輻射源，它能穿透不透明物體并探測內(nèi)部的“化學指紋”。到目前為止，太赫茲輻射已被用于實時成像和快速光譜測量，所需溫度遠低于200 kelvins (- 100華氏度)或更低。但是緊湊型太赫茲激光器只能在超低溫度下工作，這將它主要局限于實驗室環(huán)境。

不過這很快將得以改變。作為解決方案，麻省理工學院和滑鐵盧大學的科學家有一個高功率的便攜式量子級聯(lián)激光裝置，它可以在實驗室之外產(chǎn)生太赫茲輻射。激光可以在250 K(-10華氏度)的溫度下工作，這意味著只需要一個緊湊的便攜式冷卻器。 在最新的一期《自然·光子學》的一篇論文中，研究人員宣稱，在工作于250 K或–23°C的芯片上創(chuàng)建了一個米粒大小的太赫茲激光，可在插入式冷卻器的可及范圍內(nèi)工作，其大小相當于裂解器的大小。

“這是一個偉大的成就，”意大利國家研究委員會納米科學研究所的凝聚態(tài)物理學家Miriam Vitiello評價道，“提高太赫茲激光的溫度一直是業(yè)界的長期目標?！? 她補充道，從醫(yī)療成像到機場的爆炸物檢測，將出現(xiàn)大量的應用。 當電子落入半導體合金內(nèi)的電子空位時，基于芯片的標準激光器會產(chǎn)生光子，半導體合金的組成決定了顏色。例如，氮化鎵發(fā)出藍光，而砷化鎵則發(fā)出紅光。然而，沒有半導體合金在太赫茲范圍內(nèi)發(fā)射光子(“太赫茲”指的是光的頻率：每秒數(shù)萬億個循環(huán))。1994年，AT&T貝爾實驗室的研究人員發(fā)明了一種新的激光器，其中半導體的結(jié)構(gòu)（不僅僅是它的化學性質(zhì)）決定了波長，它被稱為量子級聯(lián)激光器(QCL)，包含數(shù)百層厚度精確的半導體。

注入到結(jié)構(gòu)中的電子沿著數(shù)百個能量級聯(lián)級聯(lián)，在每個能量級上釋放出一個光子。這些光子在第一個QCL中是紅外光，但2002年，意大利和英國的研究人員發(fā)明了發(fā)射太赫茲光子的QCL激光器。 這些設備需要冷卻到50K，但去年，蘇黎世的物理學家Jér?me Faist 領導的研究小組推出了太赫茲QCL，它由工作在210 K的砷化鎵和砷化鋁鎵（AlGaAs）的數(shù)百個交替層組成，然而，它仍然需要龐大和昂貴的低溫冷卻器。

在較高的溫度下，電子跨越層間的勢壘，而不是一步一步地級聯(lián)穿過結(jié)構(gòu)。麻省理工學院(MIT)電氣工程師胡清說：“超勢壘的電子泄漏是殺手。”因此，胡清和他的同事在AlGaAs勢壘上添加了更多的鋁，希望能更好地限制電子。胡清的團隊還必須防止電子以某種方式相互作用，從而導致電子通過AlGaAs勢壘泄漏。 現(xiàn)在，胡清的團隊已經(jīng)證明，通過更精確地調(diào)整它的分層結(jié)構(gòu)（有些層只有7個原子厚），它可以使電子在足夠高的溫度下運行，達到標準緊湊的熱電冷卻器。更重要的是，胡清說，相同的策略應該能讓團隊最終制造室溫太赫茲激光器。

太赫茲量子級聯(lián)激光器(QCL)裝置的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像 室溫太赫茲源可以與也在室溫下工作的太赫茲探測器配對，Miriam Vitiello和其他研究人員正在研發(fā)這種探測器。這種配對可能導致像太赫茲成像儀這樣的技術能夠在沒有活檢的情況下區(qū)分皮膚癌和正常組織，或者監(jiān)視航空公司乘客和貨物中隱藏的爆炸物、非法藥物，甚至是假藥。

責任編輯：xj

原文標題：小微便攜式太赫茲激光器面世,或用于醫(yī)學成像和違禁品檢測等領域

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。