Nature：MIT开发出新的便携式高功率太赫兹激光器

来源：两江科技评论

导读：来自MIT和滑铁卢大学的研究人员发展了一个高功率、可移动的激光装置，称之为调谐量子级联激光器，这一类型的激光器可以在实验室外产生太赫兹激光。激光可以潜在的应用在诸如皮肤癌定位和探测隐藏的爆炸物 。这一成果发表在近日出版的《Nature》上。研发的可以产生太赫兹激光的 调谐量子级联激光器

直到今天，产生足够功率的太赫兹激光可以实现实时的影像和温度在低于200K或更低的温度下的快速的光谱测量。这些温度只能通过设备整体上的温度下降来实现，从而限制了该技术只适合在实验室使用。在近日出版的顶刊《Nature》中，来自MIT的杰出的电子工程学教授和计算科学教授 Qing Hu 及其同事报道了他们的量子级联激光器，可以实现在为温度高于250K时进行工作，这意味着只需要一个可移动的冷却系统就可以满足。

太赫兹量子级联激光，嵌入微型芯片 半导体激光器件，首次在2002年被发明，但直到该技术可以适应在高于200K时进行工作被证明是非常困难的，因为在这一领域由于物理的原因阻止了这一目标的实现，Hu说到。

在一个比较高的温度进行工作，我们可以最终将这一技术应用在紧凑且可移动的系统中，并在这一领域取得突破，而在实验室外进行应用，Hu说，这将使得可移动的太赫兹影像和光谱系统可以立即在很宽广的范围得到应用，诸如医疗、生物化学、安全以及其他领域。

Hu开始研究太赫兹频率——一种电磁（波）谱在微波和红外范围之间的波段，可以追溯到1991年。

这一研究花了我们11年的时间，并且三代学生的持续努力，使得我们的太赫兹级联激光器在2002年问世，他说到，从此以后，最高的极限工作温度成为限制我们使用太赫兹激光的最大障碍，基本维持在室温以下。在本文中报道的最高温度为250K，被认为是在早先210 K基础上前进了一大步，这一工作温度为210 K的结果在2019年获得的，这一结果是在2012年取得的温度为200K 的基础上前进的，这一进步花了7年。

这一激光，测量长度只有几毫米何厚度比人的头发还要细的目标，

我们理解，在电子泄露的障碍之上对这一激光器来说就是一大杀手，属于量子阱结构且精细定制的工程和障碍。在这些结构内，电子像瀑布一样下降而形成类似台阶的结构，在每一步的台阶发射出一个光粒子或光子。

在期刊《Nature Photonics》中曾经描述了一个非常重要的革新，就是在激光倍增障碍的高度以阻止电子的泄露，这是一种用以在更高温度实现增加的现象。我们理解，在电子泄露的障碍之上，导致系统出问题，如果不能采用低温恒温器进行冷却的话，Hu说到，比较流行的观点就是散射，同时伴随着高的障碍是有损伤的，因此高的障碍需要避免。

研究团队发展了正确的参数用于能带结构，这一结构用于高的障碍和新的设计。

研究团队最大的贡献在于，量子装置的模拟和制造上，使得在THz 光子的挑战上所面临的问题取得了非常重要的进展。

在一个医学设置中，新的可移动激光系统，包括一个紧凑型的相机和探测器，可以在任何有插座的地方进行使用，可以实现常规皮肤的扫描的实时影像或在手术中进行皮肤癌的练习，这些癌细胞在太赫兹激光中表现得非常明显，这是因为他们含有高水和血的浓度比常规得细胞要高。

这一技术同时可以应用在许多工业领域中，只要是需要探测异物的场合均可以使用，且探测的产品需要确保安全和质量的就可以。

探测气体、药物和爆炸物等成为使用太赫兹激光中比较复杂的事情。例如，化合物，如氢氧化物，是一种臭氧破坏剂，在太赫兹激光频率下具有特定的光谱指纹信息，同时对于药物，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.

利用室温热释电探测器和TH在相机进行TEC冷却的THZ QCL的测量装置

利用太赫兹激光，我们不仅可以观察光学不透明材料 （黑体材料），还可以识别物质。Hu说到。他同时还说：在不需要冷却系统的前提下也可以产生的太赫兹激光，从而可以清晰的观察到目标