來自麻省理工學(xué)院（MIT）和滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）的研究人員開發(fā)了一種稱為量子級聯(lián)激光器（quantum cascade laser）的高功率便攜式設(shè)備，它可以在實驗室環(huán)境外產(chǎn)生太赫茲輻射。這種激光有可能被應(yīng)用于皮膚癌的精確定位和隱藏爆炸物的探測。

到目前為止，產(chǎn)生足以進(jìn)行實時成像和快速光譜測量的太赫茲輻射需要遠(yuǎn)低于200開爾文（-100華氏度）或更低的溫度。這些溫度只能通過笨重的設(shè)備來實現(xiàn)，而這些設(shè)備限制了該技術(shù)在實驗室中的使用。麻省理工學(xué)院電子工程和計算機(jī)科學(xué)特聘教授Qing Hu和他的同事在《自然光子學(xué)Nature Photonics》上發(fā)表的一篇論文中說，他們的太赫茲量子級聯(lián)激光器可以在高達(dá)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。

Hu說，太赫茲量子級聯(lián)激光器（thz quantum cascade laser）最早是在2002年發(fā)明的，但要使其工作在遠(yuǎn)高于200 K的溫度下是非常困難的，以至于許多從事該領(lǐng)域的人推測，阻止它的存在有一個根本的物理原因。

“在高工作溫度下，我們最終可以將其放入一個緊湊的便攜式系統(tǒng)中，并將這項突破性的技術(shù)帶出實驗室，”Hu表示，“這將使便攜式太赫茲成像和光譜系統(tǒng)能夠立即對醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、安全和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生影響�！�

Hu早在1991年就開始了對太赫茲頻率的研究，太赫茲波段是微波和紅外波段之間的電磁頻譜。

他說：“我花了11年時間和三代學(xué)生在2002年制造出了我們自己的（太赫茲量子級聯(lián)激光器）。從那時起，限制太赫茲輻射使用的最高工作溫度一直遠(yuǎn)低于室溫。本文報道的最高氣溫為250K，與2019年確立的最高氣溫210K相比，有了相當(dāng)大的飛躍，打破了2012年創(chuàng)下的7年來未受影響的200K的最高紀(jì)錄。”

這種激光器的長度只有幾毫米，比人的頭發(fā)還薄，是量子阱結(jié)構(gòu)，帶有精心定制的結(jié)構(gòu)和屏障。在這個結(jié)構(gòu)中，電子“級聯(lián)”下一種階梯，每一步都發(fā)射出一個輕粒子或光子。

《自然光子學(xué)Nature Photonics》論文中描述的一個重要創(chuàng)新是將激光器內(nèi)的勢壘高度加倍，以防止電子泄漏，這種現(xiàn)象在高溫下往往會增加。

 Hu表示：“我們知道電子在勢壘上的泄漏是致命的，如果不用低溫恒溫器冷卻，就會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰因此，我們設(shè)置了一個更高的屏障來防止泄漏，這是突破的關(guān)鍵�！�

Hu說，以前偶爾探索的障礙，結(jié)果都不高。普遍的觀點是，增加電子散射與較高的勢壘是有害的，因此應(yīng)避免更高的勢壘。

研究團(tuán)隊為高障礙物的帶結(jié)構(gòu)設(shè)計了正確的參數(shù)，并提出了一種新穎的設(shè)計優(yōu)化方案。

這一創(chuàng)新與“直接聲子方案”相結(jié)合，該方案使激光器通過一種結(jié)構(gòu)，即每個模塊的較低激光能級或結(jié)構(gòu)階梯的臺階，通過聲子（或一單位振動能量）散射到基態(tài)，使電子迅速減載，然后作為電子注入到下一步的上層，這個過程重復(fù)進(jìn)行。正如愛因斯坦在1916年首次設(shè)想的那樣，系統(tǒng)中電子的這種排列對于激光的發(fā)生至關(guān)重要。

 “這些是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，量子阱和勢壘之間有近15000個接口，其中一半甚至沒有7個原子層厚，”合作者Zbig Wasilewski說，他是滑鐵盧大學(xué)納米技術(shù)教授、電子和計算機(jī)工程教授，“這些接口的質(zhì)量和再現(xiàn)性對太赫茲激光器的性能至關(guān)重要。我們的研究團(tuán)隊在分子束外延生長能力方面發(fā)揮了最好的作用，加上麻省理工學(xué)院合作者在量子器件建模和制造方面的專業(yè)知識，才在太赫茲光子學(xué)這一具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域取得了如此重要的進(jìn)展�！�

在醫(yī)療環(huán)境中，這種新的便攜式系統(tǒng)包括一個小型攝像機(jī)和探測器，可以在任何有電源插座的地方工作，它可以在定期皮膚癌篩查期間，甚至在切除皮膚癌組織的手術(shù)過程中提供實時成像。Hu說，癌細(xì)胞在太赫茲波段表現(xiàn)得非常明顯，因為它們的水和血液濃度比正常細(xì)胞高。

這項技術(shù)還可以應(yīng)用于許多行業(yè)，在這些行業(yè)中，必須檢測產(chǎn)品中的異物，以確保產(chǎn)品的安全和質(zhì)量。

氣體、毒 品和爆 炸物的探測隨著太赫茲輻射的使用變得特別復(fù)雜。例如，臭氧破壞劑氫氧化物等化合物在太赫茲頻率范圍內(nèi)具有特殊的光譜“指紋”，包括甲基苯 丙胺和海洛 因在內(nèi)的毒 品以及包括T NT在內(nèi)的爆炸物也是如此。

Hu表示：“我們不僅可以通過不透明的材料看到物體，而且還可以識別這些物質(zhì)�！�。

Hu表示，他看到了“一條清晰的道路”來實現(xiàn)不需要冷卻器就能產(chǎn)生強(qiáng)大的太赫茲的目標(biāo)。

“使用直接聲子方案和更高的屏障是前進(jìn)的方向，”他說，“當(dāng)我們達(dá)到室溫環(huán)境下時，我終于可以看到隧道盡頭的光亮了。”

原文鏈接：https://phys.org/news/2020-11-high-power-portable-terahertz-laser.html