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太赫兹激光器不再受制于温度

来源:《中国科学报》2020-11-19 08:58

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  将太赫兹激光器置于一个小型方形冷却器的顶部,其激光可使新的便携式医疗诊断和爆炸物探测成为可能。图片来源:ALI KHALATPOUR

  本报讯 紧凑型芯片激光器已经征服了从紫外到红外的大部分电磁频谱,使得从数字通信、条形码阅读器,到激光指示器和打印机的科学技术成为可能。但是,频谱中仍有一个关键区域未被“驯服”,那就是位于红外和微波之间的太赫兹波段。

  工程师渴望找到一种现成的能穿透不透明物体并探测其内部化学指纹的太赫兹辐射源。但是现有的紧凑型太赫兹激光器只能在超低温下工作,限制了其在实验室环境中的应用。

  如今,一项新研究让太赫兹激光器不再受制于温度。

  近日,研究人员在《自然—光子学》上报告称,他们在一个芯片上制造出了米粒大小的太赫兹激光器,其工作温度为250K,约为-23℃,其配套的插入式冷却器也只有饼干大小。

  “这是一项伟大的成就。”意大利国家研究委员会纳米科学研究所凝聚态物理学家Miriam Vitiello说,提高太赫兹激光器的工作温度一直是业界的长期目标,这项新发明让从医学成像到机场爆炸物探测的诸多应用成为可能。

  当电子落入半导体合金中的电子空位后,标准芯片激光器会产生光子。其中,电子空位的组成决定了半导体合金的颜色,例如,氮化镓发射蓝光,而砷化镓发射红光。然而,没有半导体合金发射太赫兹范围内的光子。

  1994年,美国贝尔实验室的研究人员发明了一种新的激光器,其半导体结构,而不仅仅是化学性质决定了波长。这种激光器被称为量子级联激光器(QCL),它包含数百层精确厚度的半导体。注入到其结构中的电子级联下降数百个能量级,每级释放一个光子。

  在最初的QCL中,这些光子仍处于红外范围,但是2002年,意大利和英国的研究人员更进一步,其制造的QCL发射的光子处于太赫兹范围。但是上述设备工作温度为50 K(-223.15℃)。

  去年,由瑞士苏黎世联邦理工学院物理学家Jrome Faist领导的研究团队推出了一种太赫兹QCL,它由数百层砷化镓和铝砷化镓交替组成,工作温度为210K(-63.15℃)。然而,其仍需配备体积庞大且价格昂贵的低温冷却器。

  在较高温度下,电子会一次跃过多层间的势垒,而不是一步一层地穿过结构。麻省理工学院的研究团队已经证明,通过更精确地调整其层状结构(某些层只有7个原子厚),可以使电子在足够高温度下工作,这一温度足以用标准的紧凑型热电制冷器实现。更重要的是,该策略可能使团队最终制造出室温太赫兹激光器。

  室温太赫兹辐射源可以与Vitiello和其他研究人员正在开发的这种在室温下工作的太赫兹探测器配对,这种联合可使诸如太赫兹成像仪这样的设备,在不进行活检的情况下区分皮肤癌和正常组织,也可以观察航空乘客和货物中隐藏的爆炸物、非法药物,甚至假药。“我们期待这一天已经很久了。”Faist说。 (徐锐)

[ 责编:张梦凡 ]
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