“火眼金睛”!高功率便携式太赫兹激光器问世

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Science ¹ 在技术栏目深度报道了一篇来自Nature Photonics ² 的最新进展。随着激光器的不断发展,在紫外到红外的大部分电磁光谱中已实现小型化、高功率和工业应用,使数字通信、条形码读取器、激光笔以及打印机等技术成为可能。但是光谱的一个关键区域仍然没有被驯服,即红外波与微波之间的太赫兹波段。

目前,这项工作有了巨大突破,研究人员已经研发出高功率便携性的THz QCL,并将继续研发可以在室温下工作的太赫兹探测器,将两者结合使用便可使太赫兹成像等相关技术能够在没有活检的情况下区分皮肤癌和正常组织,亦可检测航空公司乘客和货物中隐藏的爆炸物、非法药物,甚至是假药。

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图源:中国科学院长春光机所,Light出版中心,新媒体工作组

太赫兹(Terahertz,THz)是频率在0.1~10THz范围内产生的一种电磁辐射,其波段位于微波和红外波之间,是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区,被称为电磁波谱的“太赫兹空隙”。并且由于太赫兹具有频带宽、光子能量低、安全性好、光谱分辨能力强、相干性强等优点,使其在无线通信、雷达和成像、医学诊断、材料表征、安全检测等领域具有广泛的应用前景。

在实际工作中,诸如晶体管和倍频器之类的电子设备可以在<1TH的频谱范围内工作;在>1THz的频谱范围内,常规的半导体光子器件可以满足其要求,但由于太赫兹频谱范围的特殊性,使得常规半导体设备无法在该波段正常运行,因此获得高性能的太赫兹源一直以来都是业界普遍关注的热点,太赫兹量子级联激光器(Quantum cascade Laser,QCL)的发现恰好填补了太赫兹源这一空白,但这种设备对冷却条件极为苛刻,只能在实验室环境中实现。

为了将THz-QCL的工作温度升高,使其可以应用于实际生产工作中,麻省理工学院的胡青教授团队等人通过一种新型的设计方案,开发了最高工作温度为250K的高功率便携式THz-QCL,如图1所示,该系统对医学成像、通信、质量监测、安全检测和生物化学领域的应用产生了至关重要的影响,相关研究成果以“High-power portable terahertz laser systems”为题发表在Nature Photonics中。

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图1 位于小型冷却器上的太赫兹激光器

图源:MIT

QCL是基于半导体耦合量子阱子带(一般为导带)间的电子跃迁所产生的一种单极性光源,由贝尔实验室的研究人员于1994年首次实现,其发射波长不仅仅取决于半导体材料的化学性质和带隙,而且取决于半导体的结构。

在此基础上,2002年,意大利和英国的研究人员首次实现了太赫兹波段的QCL,但长期以来这种紧凑型的THz-QCL只能在超低温下工作,随着研究人员不断的深入研究,在2012年的工作温度已经提高至200K(-73℃),而在接下来的很长时间中,Tmax的提升问题却一直处于停滞的状态,使得研究人员纷纷怀疑是否存在根本的物理原因导致THz-QCL不能在200K以上的温度工作。

在2002~2018年器件,几乎所有的Tmax记录都是使用具有相对较低势垒Al0.15Ga0.85As的GaAs/AlGaAs有源区实现的,随着科研人员对其不断的研究发现,在温度较高时,载流子会越过这些势垒形成泄露,进而成为影响THz-QCL工作的主要原因。

为了抑制这种泄露,需要铝的占比超过15%而获得更高的势垒,但采用该方式获得的Tmax均没有达到较为理想的效果,因此当时得出的普遍结论是:增加电子散射或提高势垒会降低器件的性能。

但后来,人们发现这些高势垒器件通过其较高的束缚态在高温下具有先前被忽视的泄漏通道,并且通过设计结构以最小化泄露通道后,可以使得Al0.3Ga0.7As势垒的器件在室温下获得理想的非线性电流-电压的特性。

另外,在之前THz-QCL研究中为了减少高温下电子分布的热尾散射,经常使用一种对角结构,但这种结构会产生一定的电荷效应,从而会导致能带的明显弯曲,这点一直以来都被人们所忽略。

而缓解这种效应的一种解决方案是直接声子方案:该方案使激光器通过一种结构,即每个模块的较低激光能级或结构阶梯的台阶,通过声子散射到基态,使电子迅速减载,然后作为电子注入到下一步的上层并重复进行该过程,并且它还有一个额外的优点,即对界面粗糙度和杂质引起的退相不敏感。

因此,基于以上特性,Ali Khalatpour等人将高势垒的带结构设计与直接声子方案结合,提出了一种新颖的设计优化方案:在AlGaAs势垒中添加了更多的Al成分以防止载流子泄露,并通过精确地调整其分层结构(某些层仅有7个原子厚),使得THz-QCL的温度可以达到标准紧凑型热电冷却器(TEC)所能达到的温度。如图2所示,为不同温度下,使用室温热释电探测器和THz相机对TEC冷却的THz-QCL器件的光束图像测量示意图。

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图2 TEC冷却的THz-QCL器件的光束图像测量示意图

图源:Nature Photonics, 2020: 1-5 Fig3 (b、c、d、e)

从图中可以看出,该QCL器件产生的激光源功率水平足以对光束方向图进行实时成像和快速光谱测量。且这种TEC冷却的THz-QCL与室温探测器、相机结合可以使得便携式THz激光系统在实验室环境之外操作,极大的提高了太赫兹在众多领域中的应用潜力。

文章信息

【论文】Khalatpour, A., Paulsen, A.K., Deimert, C. et al. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics (2020).

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