太赫茲激光器位于小型方形冷卻器上。
最近,科學(xué)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(xiàng)研究將推動(dòng)太赫茲激光器在醫(yī)學(xué)成像、通信、質(zhì)量控制、安全和生物化學(xué)等諸多領(lǐng)域“大顯身手”。
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(jī)的技術(shù)成為可能。但光譜的一個(gè)關(guān)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(xué)指紋”。到目前為止,太赫茲輻射已被用于實(shí)時(shí)成像和快速光譜測量,所需溫度遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(xué)院和滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家有一個(gè)高功率的便攜式量子級(jí)聯(lián)激光裝置,它可以在實(shí)驗(yàn)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(gè)緊湊的便攜式冷卻器。
在最新的一期《自然·光子學(xué)》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(gè)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(dāng)于裂解器的大小。
“這是一個(gè)偉大的成就,”意大利國家研究委員會(huì)納米科學(xué)研究所的凝聚態(tài)物理學(xué)家Miriam Vitiello評(píng)價(jià)道,“提高太赫茲激光的溫度一直是業(yè)界的長期目標(biāo)?!?/p>
她補(bǔ)充道,從醫(yī)療成像到機(jī)場的爆炸物檢測,將出現(xiàn)大量的應(yīng)用。
當(dāng)電子落入半導(dǎo)體合金內(nèi)的電子空位時(shí),基于芯片的標(biāo)準(zhǔn)激光器會(huì)產(chǎn)生光子,半導(dǎo)體合金的組成決定了顏色。例如,氮化鎵發(fā)出藍(lán)光,而砷化鎵則發(fā)出紅光。然而,沒有半導(dǎo)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(gè)循環(huán)。)。1994年,AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明了一種新的激光器,其中半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(不僅僅是它的化學(xué)性質(zhì))決定了波長,它被稱為量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL),包含數(shù)百層厚度精確的半導(dǎo)體。注入到結(jié)構(gòu)中的電子沿著數(shù)百個(gè)能量級(jí)聯(lián)級(jí)聯(lián),在每個(gè)能量級(jí)上釋放出一個(gè)光子。這些光子在第一個(gè)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(shè)備需要冷卻到50K,但去年,蘇黎世的物理學(xué)家Jér?me Faist 領(lǐng)導(dǎo)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(gè)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(jí)聯(lián)穿過結(jié)構(gòu)。麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程師胡清說:“超勢壘的電子泄漏是殺手?!币虼?,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(tuán)隊(duì)還必須防止電子以某種方式相互作用,從而導(dǎo)致電子通過AlGaAs勢壘泄漏。
現(xiàn)在,胡清的團(tuán)隊(duì)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(gè)原子厚),它可以使電子在足夠高的溫度下運(yùn)行,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)緊湊的熱電冷卻器。更重要的是,胡清說,相同的策略應(yīng)該能讓團(tuán)隊(duì)最終制造室溫太赫茲激光器。
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(duì),Miriam Vitiello和其他研究人員正在研發(fā)這種探測器。這種配對(duì)可能導(dǎo)致像太赫茲成像儀這樣的技術(shù)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。
太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)裝置的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像
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