一种新型高功率便携式太赫兹激光器

来自麻省理工学院（MIT）和滑铁卢大学（University of Waterloo）的研究人员开发了一种称为量子级联激光器（quantum cascade laser）的高功率便携式设备，它可以在实验室环境外产生太赫兹辐射。这种激光有可能被应用于皮肤癌的精确定位和隐藏爆炸物的探测。

到目前为止，产生足以进行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射需要远低于200开尔文（-100华氏度）或更低的温度。这些温度只能通过笨重的设备来实现，而这些设备限制了该技术在实验室中的使用。麻省理工学院电子工程和计算机科学特聘教授Qing Hu和他的同事在《自然光子学Nature Photonics》上发表的一篇论文中说，他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K（-10华氏度）的温度下工作，这意味着只需要一个紧凑的便携式冷却器。

Hu说，太赫兹量子级联激光器（thz quantum cascade laser）最早是在2002年发明的，但要使其工作在远高于200 K的温度下是非常困难的，以至于许多从事该领域的人推测，阻止它的存在有一个根本的物理原因。

“在高工作温度下，我们最终可以将其放入一个紧凑的便携式系统中，并将这项突破性的技术带出实验室，”Hu表示，“这将使便携式太赫兹成像和光谱系统能够立即对医学、生物化学、安全和其他领域的广泛应用产生影响。”

Hu早在1991年就开始了对太赫兹频率的研究，太赫兹波段是微波和红外波段之间的电磁频谱。

他说：“我花了11年时间和三代学生在2002年制造出了我们自己的（太赫兹量子级联激光器）。从那时起，限制太赫兹辐射使用的最高工作温度一直远低于室温。本文报道的最高气温为250K，与2019年确立的最高气温210K相比，有了相当大的飞跃，打破了2012年创下的7年来未受影响的200K的最高纪录。”

这种激光器的长度只有几毫米，比人的头发还薄，是量子阱结构，带有精心定制的结构和屏障。在这个结构中，电子“级联”下一种阶梯，每一步都发射出一个轻粒子或光子。

《自然光子学Nature Photonics》论文中描述的一个重要创新是将激光器内的势垒高度加倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下往往会增加。

 Hu表示：“我们知道电子在势垒上的泄漏是致命的，如果不用低温恒温器冷却，就会导致系统崩溃因此，我们设置了一个更高的屏障来防止泄漏，这是突破的关键。”

Hu说，以前偶尔探索的障碍，结果都不高。普遍的观点是，增加电子散射与较高的势垒是有害的，因此应避免更高的势垒。

研究团队为高障碍物的带结构设计了正确的参数，并提出了一种新颖的设计优化方案。

这一创新与“直接声子方案”相结合，该方案使激光器通过一种结构，即每个模块的较低激光能级或结构阶梯的台阶，通过声子（或一单位振动能量）散射到基态，使电子迅速减载，然后作为电子注入到下一步的上层，这个过程重复进行。正如爱因斯坦在1916年首次设想的那样，系统中电子的这种排列对于激光的发生至关重要。

 “这些是非常复杂的结构，量子阱和势垒之间有近15000个接口，其中一半甚至没有7个原子层厚，”合作者Zbig Wasilewski说，他是滑铁卢大学纳米技术教授、电子和计算机工程教授，“这些接口的质量和再现性对太赫兹激光器的性能至关重要。我们的研究团队在分子束外延生长能力方面发挥了最好的作用，加上麻省理工学院合作者在量子器件建模和制造方面的专业知识，才在太赫兹光子学这一具有挑战性的领域取得了如此重要的进展。”

在医疗环境中，这种新的便携式系统包括一个小型摄像机和探测器，可以在任何有电源插座的地方工作，它可以在定期皮肤癌筛查期间，甚至在切除皮肤癌组织的手术过程中提供实时成像。Hu说，癌细胞在太赫兹波段表现得非常明显，因为它们的水和血液浓度比正常细胞高。

这项技术还可以应用于许多行业，在这些行业中，必须检测产品中的异物，以确保产品的安全和质量。

气体、毒 品和爆 炸物的探测随着太赫兹辐射的使用变得特别复杂。例如，臭氧破坏剂氢氧化物等化合物在太赫兹频率范围内具有特殊的光谱“指纹”，包括甲基苯 丙胺和海洛 因在内的毒 品以及包括T NT在内的爆炸物也是如此。

Hu表示：“我们不仅可以通过不透明的材料看到物体，而且还可以识别这些物质。”。

Hu表示，他看到了“一条清晰的道路”来实现不需要冷却器就能产生强大的太赫兹的目标。

“使用直接声子方案和更高的屏障是前进的方向，”他说，“当我们达到室温环境下时，我终于可以看到隧道尽头的光亮了。”

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