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太赫兹量子级联激光器取得七年来“防寒”能力的最大提升

  据麦姆斯咨询介绍,太赫兹(THz)辐射就像一个宝箱,一直以来未被人类完全打开。太赫兹辐射是位于红外和微波区域之间的电磁频谱,具有一系列理想的特性,其应用非常值得期待。太赫兹辐射为获得分子和固体的独特光谱信息打开了一扇“窗户”,它可以穿透纺织物和生物组织等非导电材料,同时不会发生电离,因此不会对被研究物体造成损伤。这一优势为无创成像和无损质量控制等应用开辟了诱人的前景。但是,尽管人们对太赫兹辐射潜在用途的想法种种,但因为缺乏产生和探测太赫兹辐射的实用技术,这些想法变得难以实施。

  令人兴奋的是,苏黎世ETH量子电子学研究所Jerome Faist小组的Lorenzo Bosco、Martin Franckie及其同事们实现了一种能在210K(-63℃)温度下工作的太赫兹量子级联激光器,达到了这种装置迄今为止的最高工作温度。更重要的是,这次操作在不需要低温冷却剂的温度范围内演示,乃属首次。Bosco等人采用热电制冷方式,相比制冷设备更紧凑、更便宜、更易于维护。这一进展扫除了通往各种实际应用道路上的主要障碍。

  长期以来,量子级联激光器(QCL)被认为是太赫兹器件的自然概念。像众多广泛用于可见光到红外波段的激光器一样,量子级联激光器也是基于半导体材料的。但是,与条形码阅读器或激光指示器中使用的典型半导体激光器相比,量子级联激光器的工作原理与实现光发射的原理完全不同。简言之,量子级联激光器是由精确设计的半导体结构的重复堆叠而构建的(见图c),其设计可以实现适当的电子跃迁(见图d)。

  图a:安装在珀耳帖元件(白色方形)顶部的激光器的热电冷却激光盒,允许在195K~210.5K之间操作,激光通过顶盖上的窗口垂直发射。图b:安装在激光盒中的激光芯片,与连接在多个激光脊形条顶部的细金丝接触。图c:单个激光脊形条的示意图,水平线显示了分层半导体形成的量子阱结构。脊形条(宽度为150微米)夹在薄铜层之间,形成“三明治”结构。图d:在导带边缘(白线)加压,电子密度通过不同颜色显示的能量进行解析。偏压驱动电子通过虚线箭头指示的非辐射跃迁。这将泵浦薄阱中的能态,比绿色箭头指示的较宽阱能态更为密集,从而允许太赫兹光子的净受激发射。

  量子级联激光器的概念在1971年被提出,但直到1994年才由Faist及其同事首次证明,随后由美国贝尔实验室研制成功。该方法为众多基础实验和应用实验提供了价值,尤其是红外波段。自2001年以来,用于太赫兹发射的量子级联激光器也取得了实质性进展。但是对低温冷却剂(通常是液氦)的需求大大增加了复杂性和成本,并使设备变得更加庞大和不易移动,从而阻碍其被广泛应用。七年前,运行温度达到200K(-73℃)左右,而追求更高温度下运行太赫兹量子级联激光器的进展就停滞于此。

  达到200K已经算是一项令人印象深刻的壮举了。这个温度刚好低于可以用热电制冷取代低温技术的界限。自2012年以来,温度纪录没有发生变化,这也意味着某种“心理障碍”开始设立,许多场景开始接受太赫兹量子级联激光器必须与低温冷却器一起工作的现实。

  如今,ETH团队已经突破了这一障碍。他们在Applied Physics Letters期刊中提出了一种热电冷却的太赫兹量子级联激光器,工作温度提高至210K。此外,所发射的激光足够强,可以用室温探测器进行测量。这意味着整个装置无需低温冷却也能正常工作,进一步增强了该方法在实际应用中的潜力。

  Bosco、Franckie及其同事基于两方面的努力消除了“冷却障碍”。首先,他们在量子级联激光器堆栈的设计中使用了最简单的单一结构,每个周期两个量子阱(图d)。这种方法被认为是一种获得更高工作温度的途径,但同时这种双阱设计对半导体几何结构的最小变化也非常敏感。对某一参数的优化会导致另一参数的恶化。由于系统的实验优化不是可行的选择,他们不得不依赖于数值模拟。

  团队取得的第二个实质性进展在最近的研究中被证实,他们可以使用一种称为非平衡格林函数模型的方法精确地模拟复杂的实验量子级联激光器。计算必须在强大的计算机集群上进行,其效率足够高,可以为最优设计进行系统地搜索。该小组具备准确预测器件性能并根据精确的规格制造器件的能力,从而实现了一系列在热电制冷可达到的温度范围持续工作的激光器(见图a和b)。而且,现有方法绝不是穷途末路,Faist团队有进一步提高操作温度的想法,初步结果看起来确实很有希望。

  太赫兹量子级联激光器能够在无需低温冷却的情况下工作的首次演示,填补了“太赫兹空白隙”。太赫兹空白隙长期存在于成熟的微波和红外辐射技术之间。在没有任何移动部件或循环液体的情况下,ETH物理学家引入的热电冷却太赫兹量子级联激光器更容易突破专业实验室的限制进行应用和维护,从而进一步揭开“太赫兹宝箱”的“盖子”。返回搜狐,查看更多