研究人员开发出便携式太赫兹激光器，用于强大的传感和成像

太赫兹量子级联激光器（QCL）器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。

该仪器可以将强大的传感和成像功能带出实验室，并带入医院，机场或其他环境。

麻省理工学院和滑铁卢大学的研究人员开发了一种高功率便携式版本的设备，称为量子级联激光器，该设备可以在实验室环境之外产生太赫兹辐射。激光可以潜在地用于诸如查明皮肤癌和检测隐藏的爆炸物的应用中。

迄今为止，要产生足以执行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射，就需要温度远低于200开尔文（-100华氏度）或更低的温度。只有使用笨重的设备才能达到这些温度，而笨重的设备将技术的使用限制在实验室环境中。麻省理工学院电气工程与计算机科学系著名教授Qing Hu及其同事在2020年11月2日发表于《自然光子学》上的论文中指出，他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K（-10 F）的温度下工作，意味着只需要一个紧凑的便携式冷却器。

在右边的照片中，您可以看到一个小的激光芯片，在咖啡杯旁边的一个块上带有一个热电冷却器。背景是一个大型的低温冷却器。在左侧，您可以看到微小的太赫兹QCL。

太赫兹量子级联激光器是微型芯片嵌入式半导体激光器，最早是在2002年发明的，但是要使其适应远超过200 K的工作却是如此困难，以至于本领域的许多人认为存在根本的物理原因阻止了这种工作，胡说。

胡说：“在较高的工作温度下，我们最终可以将其放入紧凑的便携式系统中，并将这项突破性技术带出实验室。”“这将使便携式太赫兹成像和光谱系统成为现实，并将对医学，生物化学，安全性和其他领域的广泛应用产生直接影响。”

早在1991年，胡就开始研究太赫兹频率-太赫兹频率，介于微波和红外范围之间。

他说：“在2002年，我花了11年零三代学生的时间来制造我们自己的[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仍远低于室温。本文报道的最大250 K代表着先前于2019年确定的最大210 K的巨大飞跃，超过了2012年之前保持7年不变的200 K的记录。

激光的长度仅为几毫米，比人的头发还细，是带有精心设计的阱和势垒的量子阱结构。在该结构内，电子在一个阶梯上“级联”下来，在每个步骤中发射出一个光粒子或光子。

Nature Photonics论文中描述的一项重要创新是使激光内的势垒高度加倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下往往会增加。

胡说：“我们知道，屏障电子泄漏是杀手，”如果不使用低温恒温器进行冷却，就会导致系统崩溃。“因此，我们设置了更高的屏障来防止泄漏，这是突破的关键。”

胡说，以前，偶发性地探索了更高的障碍，但结果却不尽如人意。普遍的看法是，与较高的势垒相关的电子散射增加是有害的，因此应避免使用较高的势垒。

研究团队为高障碍物的能带结构开发了正确的参数，并为设计设计了概念上新颖的优化方案。

这项创新与“直接声子方案”结合使用，该方案使激光器保持通过一种配置运行，在该配置中，每个模块或结构楼梯台阶的较低激光水平会通过声子（或一个振动能量单位）迅速消除电子。散射成基态，然后作为基态的电子注入器，进入下一步骤的上层，然后重复该过程。像1916年阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）首次提出的那样，这种电子在系统中的排列对于发生激光必不可少。

“这些结构非常复杂，在量子阱和势垒之间具有接近15,000个界面，其中一半甚至不到7个原子层厚，”合著者，滑铁卢大学纳米技术分会理事长Zbig Wasilewski说。这些接口的质量和可重复性对于太赫兹激光器的性能至关重要。在分子束外延生长能力方面，我们的研究团队做出了重要贡献，而MIT协作者在量子器件建模和制造方面的专业知识则发挥了最好的作用，从而在这一具有挑战性的太赫兹光子学领域取得了重要进展。

在医疗环境中，这种新型便携式系统包括紧凑型相机和检测器，可以在任何地方使用电源插座操作，可以在常规皮肤癌筛查甚至外科手术过程中提供实时成像，以切除皮肤癌组织。胡说，癌细胞“以太赫兹的形式出现非常显着”，因为它们的水和血液浓度比正常细胞高。

该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其安全性和质量。

使用太赫兹辐射，气体，毒品和爆炸物的检测将变得特别复杂。例如，诸如氢氧根（一种破坏臭氧的物质）之类的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药物以及包括TNT在内的炸药也具有这种特征。

胡说：“我们不仅可以通过不透光的材料看到物体，而且还可以识别这些物质。”

加利福尼亚大学洛杉矶分校电气和计算机工程系教授本杰明·威廉姆斯（Benjamin Williams）表示，这项新研究为未来的发展开辟了道路。威廉姆斯说：“麻省理工学院/滑铁卢的工作非常重要，因为他们已经证明了在250 K的温度下工作。即使不在室温下，这一结果也表明确实存在进一步改进的机会。”“换句话说，在这个领域工作的所有小组都在'玩游戏'。”

胡说，他看到了“无需冷却器即可产生强大的太赫兹”这一目标的“一条清晰的道路”。

他说：“使用直接声子方案和更高的障碍是前进的方法。”“当我们达到室温时，我终于可以看到隧道尽头的光了。”

参考：阿里·卡拉特（Ali Khalatpour），安德鲁·保尔森（Andrew K.Paulsen），克里斯·迪姆特（Chris Deimert），兹比格·R·瓦西莱夫斯基（Zbig R.Wasileski）和青胡撰写的“大功率便携式太赫兹激光系统”，自然光子学，2020年11月2日。DOI：
10.1038 / s41566-020-00707-5

这项研究是由美国国家航空航天局和加拿大自然科学与工程研究委员会资助的。