国外科学家发明便携式太赫兹激光器

导读:外国科学家研制出一种新型米粒大小的便携式太赫兹激光器,其工作温度为250K(-23℃),可用于饼干大小的插入式冷却器。这项研究将推动太赫兹激光器在医学成像、通信、质量控制、安全和生物化学等诸多领域“大显身手”。

据国外媒体报道,美国和加拿大的科学家开发了一种便携式设备,内含新型米粒大小的便携式太赫兹激光器,可以在实验室条件之外产生强大的太赫兹辐射。这种激光将有助于诊断医院的皮肤癌,并在机场发现隐藏的爆炸物。该进展在《自然光子学》杂志上有描述。其工作温度为250K(-23℃),可用于饼干大小的插入式冷却器。这项研究将推动太赫兹激光器在医学成像、通信、质量控制、安全和生物化学等诸多领域“大显身手”。

此前,基于芯片的紧凑型激光器已经攻克了从紫外线到红外线的大部分电磁频谱,使开发相关数字通信、条形码阅读器到激光指示器和打印机的技术成为可能。但频谱的一个关键区域仍然未能突破——位于红外光和微波之间的太赫兹(THz)频率。

去年,苏黎世理工大学物理学家杰罗姆·法斯特带领的研究团队研制出一种太赫兹量子级联激光器(QCL),由上百层砷化镓和铝砷化镓交替组成,工作温度为210k(-63℃)。这一发明被认为是弥合半导体电子和光子源之间所谓的“太赫兹间隙”的重大突破。然而,它仍然需要笨重而昂贵的低温冷却器,苛刻的冷却条件将紧凑型太赫兹激光器的技术限制在了实验室环境中。

如今,这种限制已不复存在。11月2日发表在《自然·光子学》杂志上的一项最新研究指出,科学家采用清洁三能级系统设计策略,在一块芯片上制造出一种米粒大小的太赫兹量子级联激光器(约为4太赫兹),其工作温度为250K(-23℃),在饼干大小的插入式冷却器工作温度范围之内。

意大利国家研究委员会纳米科学研究所的凝聚态物理学家米里亚姆·维蒂洛说,这是一项了不起的成就,因为提高太赫兹激光器的温度一直是研究的长期目标。

研究人员表示,室温太赫兹源可以与室温下工作的太赫兹探测器配对,目前他们正在开发这一技术。这种结合可能推动太赫兹成像仪等技术的出现,或者在机场、航空公司等地检测是否有隐藏的爆炸物、非法药物,甚至假药等。

MIT研发可以产生太赫兹激光的调谐量子级联激光器

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。

 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。

  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。

  太赫兹激光位于一个小的正方形的冷却装置中,这一激光可以便携的用于医疗诊断和爆炸物的探测。

太赫兹科普

太赫兹的频率在毫米波和红外线之间,太赫兹成像技术、波谱技术和太赫兹通信,是其应用的几个关键领域。太赫兹有穿墙透视能力,能让危险因素无处遁形;一些有机大分子、易燃易爆物在太赫兹特有的光谱特征下,也可以现形。目前,我国在太赫兹通信技术方面已经展开了研究。此文提到的便携式太赫兹激光器,能够提升对工作环境要求颇为苛刻的太赫兹技术的可用性。

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