「火眼金睛」!高功率可攜式太赫茲雷射器問世

2021-01-21 中國光學


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Science ¹ 在技術欄目深度報導了一篇來自Nature Photonics ²的最新進展。隨著雷射器的不斷發展，在紫外到紅外的大部分電磁光譜中已實現小型化、高功率和工業應用，使數字通信、條形碼讀取器、雷射筆以及印表機等技術成為可能。但是光譜的一個關鍵區域仍然沒有被馴服，即紅外波與微波之間的太赫茲波段。


目前，這項工作有了巨大突破，研究人員已經研發出高功率便攜性的THz QCL，並將繼續研發可以在室溫下工作的太赫茲探測器，將兩者結合使用便可使太赫茲成像等相關技術能夠在沒有活檢的情況下區分皮膚癌和正常組織，亦可檢測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。

圖源：中國科學院長春光機所，Light出版中心，新媒體工作組


太赫茲（Terahertz，THz）是頻率在0.1~10THz範圍內產生的一種電磁輻射，其波段位於微波和紅外波之間，是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也是電子學向光子學的過渡區，被稱為電磁波譜的「太赫茲空隙」。並且由於太赫茲具有頻帶寬、光子能量低、安全性好、光譜分辨能力強、相干性強等優點，使其在無線通信、雷達和成像、醫學診斷、材料表徵、安全檢測等領域具有廣泛的應用前景。在實際工作中，諸如電晶體和倍頻器之類的電子設備可以在<1TH的頻譜範圍內工作；在>1THz的頻譜範圍內，常規的半導體光子器件可以滿足其要求，但由於太赫茲頻譜範圍的特殊性，使得常規半導體設備無法在該波段正常運行，因此獲得高性能的太赫茲源一直以來都是業界普遍關注的熱點，太赫茲量子級聯雷射器（Quantum cascade Laser，QCL）的發現恰好填補了太赫茲源這一空白，但這種設備對冷卻條件極為苛刻，只能在實驗室環境中實現。

為了將THz-QCL的工作溫度升高，使其可以應用於實際生產工作中，麻省理工學院的胡青教授【⏬拓展連結】團隊等人通過一種新型的設計方案，開發了最高工作溫度為250K的高功率可攜式THz-QCL，如圖1所示，該系統對醫學成像、通信、質量監測、安全檢測和生物化學領域的應用產生了至關重要的影響，相關研究成果以「High-power portable terahertz laser systems」為題發表在Nature Photonics中。

QCL是基於半導體耦合量子阱子帶（一般為導帶）間的電子躍遷所產生的一種單極性光源，由貝爾實驗室的研究人員於1994年首次實現，其發射波長不僅僅取決於半導體材料的化學性質和帶隙，而且取決於半導體的結構。在此基礎上，2002年，義大利和英國的研究人員首次實現了太赫茲波段的QCL，但長期以來這種緊湊型的THz-QCL只能在超低溫下工作，隨著研究人員不斷的深入研究，在2012年的工作溫度已經提高至200K（-73℃），而在接下來的很長時間中，Tmax的提升問題卻一直處於停滯的狀態，使得研究人員紛紛懷疑是否存在根本的物理原因導致THz-QCL不能在200K以上的溫度工作。在2002~2018年器件，幾乎所有的Tmax記錄都是使用具有相對較低勢壘Al0.15Ga0.85As的GaAs/AlGaAs有源區實現的，隨著科研人員對其不斷的研究發現，在溫度較高時，載流子會越過這些勢壘形成洩露，進而成為影響THz-QCL工作的主要原因。為了抑制這種洩露，需要鋁的佔比超過15%而獲得更高的勢壘，但採用該方式獲得的Tmax均沒有達到較為理想的效果，因此當時得出的普遍結論是：增加電子散射或提高勢壘會降低器件的性能。但後來，人們發現這些高勢壘器件通過其較高的束縛態在高溫下具有先前被忽視的洩漏通道，並且通過設計結構以最小化洩露通道後，可以使得Al0.3Ga0.7As勢壘的器件在室溫下獲得理想的非線性電流-電壓的特性。另外，在之前THz-QCL研究中為了減少高溫下電子分布的熱尾散射，經常使用一種對角結構，但這種結構會產生一定的電荷效應，從而會導致能帶的明顯彎曲，這點一直以來都被人們所忽略。而緩解這種效應的一種解決方案是直接聲子方案：該方案使雷射器通過一種結構，即每個模塊的較低雷射能級或結構階梯的臺階，通過聲子散射到基態，使電子迅速減載，然後作為電子注入到下一步的上層並重複進行該過程，並且它還有一個額外的優點，即對界面粗糙度和雜質引起的退相不敏感。因此，基於以上特性，Ali Khalatpour等人將高勢壘的帶結構設計與直接聲子方案結合，提出了一種新穎的設計優化方案：在AlGaAs勢壘中添加了更多的Al成分以防止載流子洩露，並通過精確地調整其分層結構（某些層僅有7個原子厚），使得THz-QCL的溫度可以達到標準緊湊型熱電冷卻器（TEC）所能達到的溫度。如圖2所示，為不同溫度下，使用室溫熱釋電探測器和THz相機對TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測量示意圖。

圖2 TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測量示意圖圖源：Nature Photonics, 2020: 1-5 Fig3 (b、c、d、e)從圖中可以看出，該QCL器件產生的雷射源功率水平足以對光束方向圖進行實時成像和快速光譜測量。且這種TEC冷卻的THz-QCL與室溫探測器、相機結合可以使得可攜式THz雷射系統在實驗室環境之外操作，極大的提高了太赫茲在眾多領域中的應用潛力。

文章信息

Science  https://doi.org/10.1126/science.abf5447Khalatpour, A., Paulsen, A.K., Deimert, C. et al. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-00707-5

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