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(cè)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(cè)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(guò)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(guó)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(zhǎng)期目標(biāo)?！?/p>

她補(bǔ)充道，從醫(yī)療成像到機(jī)場(chǎng)的爆炸物檢測(cè)，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(méi)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(wàn)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(zhǎng)，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(guó)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(shì)壘，而不是一步一步地級(jí)聯(lián)穿過(guò)結(jié)構(gòu)。麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程師胡清說(shuō)：“超勢(shì)壘的電子泄漏是殺手。”因此，胡清和他的同事在AlGaAs勢(shì)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(guò)AlGaAs勢(shì)壘泄漏。

現(xiàn)在，胡清的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，通過(guò)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(shuō)，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(cè)器配對(duì)，Miriam Vitiello和其他研究人員正在研發(fā)這種探測(cè)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(méi)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