《nature》：MIT開發出新的可攜式高功率太赫茲雷射器

2020-11-04 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：來自MIT和滑鐵盧大學的研究人員發展了一個高功率、可移動的雷射裝置，稱之為調諧量子級聯雷射器，這一類型的雷射器可以在實驗室外產生太赫茲雷射。雷射可以潛在的應用在諸如皮膚癌定位和探測隱藏的爆炸物 。這一成果發表在近日出版的《Nature》上。

研發的可以產生太赫茲雷射的 調諧量子級聯雷射器

直到今天，產生足夠功率的太赫茲雷射可以實現實時的影像和溫度在低於200K或更低的溫度下的快速的光譜測量。這些溫度只能通過設備整體上的溫度下降來實現，從而限制了該技術只適合在實驗室使用。在近日出版的頂刊《Nature》中，來自MIT的傑出的電子工程學教授和計算科學教授 Qing Hu 及其同事報導了他們的量子級聯雷射器，可以實現在為溫度高於250K時進行工作，這意味著只需要一個可移動的冷卻系統就可以滿足。

太赫茲量子級聯雷射，嵌入微型晶片 半導體雷射器件，首次在2002年被發明，但直到該技術可以適應在高於200K時進行工作被證明是非常困難的，因為在這一領域由於物理的原因阻止了這一目標的實現，Hu說到。

在一個比較高的溫度進行工作，我們可以最終將這一技術應用在緊湊且可移動的系統中，並在這一領域取得突破，而在實驗室外進行應用，Hu說，這將使得可移動的太赫茲影像和光譜系統可以立即在很寬廣的範圍得到應用，諸如醫療、生物化學、安全以及其他領域。

Hu開始研究太赫茲頻率——一種電磁（波）譜在微波和紅外範圍之間的波段，可以追溯到1991年。

這一研究花了我們11年的時間，並且三代學生的持續努力，使得我們的太赫茲級聯雷射器在2002年問世，他說到，從此以後，最高的極限工作溫度成為限制我們使用太赫茲雷射的最大障礙，基本維持在室溫以下。在本文中報導的最高溫度為250K，被認為是在早先210 K基礎上前進了一大步，這一工作溫度為210 K的結果在2019年獲得的，這一結果是在2012年取得的溫度為200K 的基礎上前進的，這一進步花了7年。

這一雷射，測量長度只有幾毫米何厚度比人的頭髮還要細的目標，

我們理解，在電子洩露的障礙之上對這一雷射器來說就是一大殺手，屬於量子阱結構且精細定製的工程和障礙。在這些結構內，電子像瀑布一樣下降而形成類似臺階的結構，在每一步的臺階發射出一個光粒子或光子。

在期刊《Nature Photonics》中曾經描述了一個非常重要的革新，就是在雷射倍增障礙的高度以阻止電子的洩露，這是一種用以在更高溫度實現增加的現象。我們理解，在電子洩露的障礙之上，導致系統出問題，如果不能採用低溫恆溫器進行冷卻的話，Hu說到，比較流行的觀點就是散射，同時伴隨著高的障礙是有損傷的，因此高的障礙需要避免。

研究團隊發展了正確的參數用於能帶結構，這一結構用於高的障礙和新的設計。

研究團隊最大的貢獻在於，量子裝置的模擬和製造上，使得在THz 光子的挑戰上所面臨的問題取得了非常重要的進展。

在一個醫學設置中，新的可移動雷射系統，包括一個緊湊型的相機和探測器，可以在任何有插座的地方進行使用，可以實現常規皮膚的掃描的實時影像或在手術中進行皮膚癌的練習，這些癌細胞在太赫茲雷射中表現得非常明顯，這是因為他們含有高水和血的濃度比常規得細胞要高。

這一技術同時可以應用在許多工業領域中，只要是需要探測異物的場合均可以使用，且探測的產品需要確保安全和質量的就可以。

探測氣體、藥物和爆炸物等成為使用太赫茲雷射中比較複雜的事情。例如，化合物，如氫氧化物，是一種臭氧破壞劑，在太赫茲雷射頻率下具有特定的光譜指紋信息，同時對於藥物，包括海洛因以及爆炸物等，如TNT。

In a medical setting, the new portable system, which includes a compact camera and detector and can operate anywhere with an electric outlet, could provide real-time imaging during regular skin-cancer screenings or even during surgical procedures to excise skin cancer tissues. The cancer cells show up "very dramatically in terahertz" because they have higher water and blood concentrations than normal cells, Hu says.

The technology could also be applied in many industries where the detection of foreign objects within a product is necessary to assure its safety and quality.

Detection of gases, drugs, and explosives could become especially sophisticated with the use of terahertz radiation. For example, compounds such as hydroxide, an ozone-destruction agent, have a special spectral "fingerprint" within the terahertz frequency rage, as do drugs including methamphetamine and heroin, and explosives including TNT.

利用室溫熱釋電探測器和TH在相機進行TEC冷卻的THZ QCL的測量裝置

利用太赫茲雷射，我們不僅可以觀察光學不透明材料 （黑體材料），還可以識別物質。Hu說到。他同時還說：在不需要冷卻系統的前提下也可以產生的太赫茲雷射，從而可以清晰的觀察到目標

來自：High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5 , www.nature.com/articles/s41566-020-00707-5

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