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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

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小微便携式太赫兹激光器面世,或用于医学成像和违禁品检测等领域

2020-11-27

最近,科学家研制出一种新型米粒大小的便携式太赫兹激光器,其工作温度为250K(-23℃),可用于饼干大小的插入式冷却器。这项研究将推动太赫兹激光器在医学成像、通信、质量控制、安全和生物化学等诸多领域“大显身手”。


太赫兹激光器位于小型方形冷却器上 此前,紧凑的、基于芯片的激光器已经征服了从紫外到红外的大部分电磁光谱,使得从数字通信和条形码读取器到激光笔和打印机的技术成为可能。但光谱的一个关键区域仍未被控制——位于红外线和微波之间的太赫兹波段。

工程师们渴望找到一种现成的太赫兹辐射源,它能穿透不透明物体并探测内部的“化学指纹”。到目前为止,太赫兹辐射已被用于实时成像和快速光谱测量,所需温度远低于200 kelvins (- 100华氏度)或更低。但是紧凑型太赫兹激光器只能在超低温度下工作,这将它主要局限于实验室环境。

不过这很快将得以改变。作为解决方案,麻省理工学院和滑铁卢大学的科学家有一个高功率的便携式量子级联激光装置,它可以在实验室之外产生太赫兹辐射。激光可以在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。

在最新的一期《自然·光子学》的一篇论文中,研究人员宣称,在工作于250 K或–23°C的芯片上创建了一个米粒大小的太赫兹激光,可在插入式冷却器的可及范围内工作,其大小相当于裂解器的大小。

“这是一个伟大的成就,”意大利国家研究委员会纳米科学研究所的凝聚态物理学家Miriam Vitiello评价道,“提高太赫兹激光的温度一直是业界的长期目标。”

她补充道,从医疗成像到机场的爆炸物检测,将出现大量的应用。

当电子落入半导体合金内的电子空位时,基于芯片的标准激光器会产生光子,半导体合金的组成决定了颜色。例如,氮化镓发出蓝光,而砷化镓则发出红光。然而,没有半导体合金在太赫兹范围内发射光子(“太赫兹”指的是光的频率:每秒数万亿个循环)。1994年,AT&T贝尔实验室的研究人员发明了一种新的激光器,其中半导体的结构(不仅仅是它的化学性质)决定了波长,它被称为量子级联激光器(QCL),包含数百层厚度精确的半导体。注入到结构中的电子沿着数百个能量级联级联,在每个能量级上释放出一个光子。这些光子在第一个QCL中是红外光,但2002年,意大利和英国的研究人员发明了发射太赫兹光子的QCL激光器。

这些设备需要冷却到50K,但去年,苏黎世的物理学家Jérôme Faist 领导的研究小组推出了太赫兹QCL,它由工作在210 K的砷化镓和砷化铝镓(AlGaAs)的数百个交替层组成,然而,它仍然需要庞大和昂贵的低温冷却器。

在较高的温度下,电子跨越层间的势垒,而不是一步一步地级联穿过结构。麻省理工学院(MIT)电气工程师胡清说:“超势垒的电子泄漏是杀手。”因此,胡清和他的同事在AlGaAs势垒上添加了更多的铝,希望能更好地限制电子。胡清的团队还必须防止电子以某种方式相互作用,从而导致电子通过AlGaAs势垒泄漏。

现在,胡清的团队已经证明,通过更精确地调整它的分层结构(有些层只有7个原子厚),它可以使电子在足够高的温度下运行,达到标准紧凑的热电冷却器。更重要的是,胡清说,相同的策略应该能让团队最终制造室温太赫兹激光器。


太赫兹量子级联激光器(QCL)装置的扫描电子显微镜(SEM)图像 室温太赫兹源可以与也在室温下工作的太赫兹探测器配对,Miriam Vitiello和其他研究人员正在研发这种探测器。这种配对可能导致像太赫兹成像仪这样的技术能够在没有活检的情况下区分皮肤癌和正常组织,或者监视航空公司乘客和货物中隐藏的爆炸物、非法药物,甚至是假药。

 

来源:激光制造网LaserfairCom