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突破极限!小如米粒便携式太赫兹激光器问世 工作温度-23℃未来或接近室温

2020-11-10 13:16 前瞻网   

麻省理工学院(MIT)和滑铁卢大学(University of Waterloo)的研究人员开发了一种名为量子级联激光器(quantum cascade laser)的高功率便携式设备,这种设备可以在实验室环境之外产生太赫兹辐射。

这种激光有可能应用于诸如精确定位皮肤癌和探测隐藏爆炸物等领域。

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到目前为止,太赫兹辐射的强度足以进行实时成像和快速光谱测量,需要的温度远低于200开尔文(-23℃)或更低。这种温度只能通过笨重的设备来实现,这就限制了这项技术只能在实验室中使用。

日前发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志上的一篇论文中,麻省理工学院电子工程和计算机科学杰出教授Qing Hu和他的同事报告说,他们的太赫兹量子级叠激光器可以在高达250 K(-10华氏度)的温度下工作,这意味它可以控制在在饼干大小的插入式冷却器工作温度范围之内。

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太赫兹量子级联激光器是一种微小的嵌入芯片的半导体激光器,于2002年首次被发明,但是要使其运行到200k以上是非常困难的。

“在高温下,我们终于可以把它放进一个小巧的便携式系统中,把这项突破性的技术带出实验室,”Qing Hu说。“这将使便携式太赫兹成像和光谱系统成为可能,将对医学、生物化学、安全以及其他领域的广泛应用产生直接影响。”

早在1991年,Qing Hu就开始研究太赫兹频率——一种介于微波和红外之间的电磁波谱。

他说:“2002年,我花了11年的时间和三代学生来制造我们自己的(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一直远低于室温。这篇论文中报道的25万公里的最大值,与2019年建立的21万公里的最大值相比,是一个相当大的飞跃,打破了2012年保持了7年的20万公里的纪录。

这种激光器只有几毫米长,比人的头发还细,是量子阱结构,带有精心定制的阱和屏障。在这种结构中,电子“级联”地沿着一种阶梯向下,每走一步都发射出一种轻粒子,即光子。

研究人员在《自然·光子学》上发表的论文中描述了一项重要的创新,即将激光内部的隔板高度提高一倍,以防止电子的泄漏,这种现象在高温下往往会增加。

“电子漏出是罪魁祸首。”因此Hu和他的同事在AlGaAs屏障中加入了更多的铝,希望能更好地限制这些电子。胡的团队还必须防止电子通过AlGaAs屏障泄漏而相互作用。

“这些是非常复杂的结构,在量子阱和势垒之间有将近15000个界面,其中一半甚至还不到7个原子层的厚度,”该研究的合著者、滑铁卢大学电子与计算机工程教授、纳米技术讲座教授Zbig Wasilewski说。

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“这些接口的质量和再现性对太赫兹激光器的性能至关重要。它利用了分子束外延生长能力——这是我们研究团队的关键贡献——以及我们麻省理工学院合作者在量子器件建模和制造方面的专长,在极具挑战性的太赫兹光子学领域取得了如此重要的进展。”

Hu说,同样的策略应该能使团队最终制造出室温的太赫兹激光器。

室温太赫兹源可以与在室温下也能工作的太赫兹检测器配对,这是Vitiello和其他研究人员正在开发的。这种结合可能导致太赫兹成像技术的出现,这些技术可以在不进行活检的情况下区分皮肤癌和正常组织,也可以观察飞机上的乘客和货物是否藏有爆炸物、非法药物,甚至是假冒药品。“我们对此盼望已久。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4083LWJ

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