研究人员开发出便携式太赫兹激光器,用于强大的传感和成像

时间:2020-11-10 14:17来源:光粒网作者:weixiang 点击:
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摘要:到目前为止,要产生足以执行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射,需要的温度远低于200开尔文(-100华氏度)或更低的温度。只有使用笨重的设备才能达到这些温度,而这些设备将技术的使用限制为实验室环境。麻省理工学院电气工程与计算机科学系著名教授Qing Hu及其同事在2020年11月2日发表于Nature Photonics的一篇论文中报告说,他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K(-10 F)的

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太赫兹量子级联激光器

  太赫兹量子级联激光器(QCL)装置的扫描电子显微镜(SEM)图像。信用:由研究人员提供

  该仪器可以将强大的传感和成像功能带出实验室,并带入医院,机场或其他环境。

  研究人员在麻省理工学院和滑铁卢大学已经开发出一种高功率,称为量子级联激光器设备的便携版本,它可以产生一个实验室设置的太赫兹辐射之外。激光可以潜在地用于确定皮肤癌和检测隐藏爆炸物的应用中。

  到目前为止,要产生足以执行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射,需要的温度远低于200开尔文(-100华氏度)或更低的温度。只有使用笨重的设备才能达到这些温度,而这些设备将技术的使用限制为实验室环境。麻省理工学院电气工程与计算机科学系著名教授Qing Hu及其同事在2020年11月2日发表于Nature Photonics的一篇论文中报告说,他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K(-10 F)的温度下工作,意味着只需要一个紧凑的便携式冷却器。

便携式太赫兹激光

  在右边的照片中,您可以看到一个小的激光芯片,在咖啡杯旁边的一块上有一个热电冷却器。背景是一个很大的低温冷却器。在左侧,您可以看到微小的太赫兹QCL。信用:由研究人员提供

  太赫兹量子级联激光器是一种微小的芯片嵌入式半导体激光器,最早于2002年发明,但要使其适应远超过200 K的工作被证明是如此困难,以至于本领域的许多人认为存在根本的物理原因阻止了该工作,胡说。

  胡说:“在较高的工作温度下,我们最终可以将其放入紧凑的便携式系统中,并将这项突破性技术带出实验室。” “这将使便携式太赫兹成像和光谱系统能够对医学,生物化学,安全性和其他领域的广泛应用产生直接影响。”

  早在1991年,胡就开始研究太赫兹频率(太赫兹频率是微波和红外范围之间的电磁频谱带)。

  他说:“ 2002年,我花了11年零三代学生的时间,制造了自己的[太赫兹量子级联激光器]。” 从那时起,限制太赫兹辐射使用的最高工作温度仍远低于室温。本文报道的最大250 K代表着2019年建立的先前最大210 K的巨大飞跃,超过了2012年之前保持七年不变的200 K记录。

  激光的长度仅为几毫米,比人的头发还细,是带有精心设计的阱和势垒的量子阱结构。在该结构内,电子在一个阶梯上“级联”下来,在每个步骤中发射出一个光粒子或光子。

  Nature Photonics论文中描述的一项重要创新是使激光内的势垒高度加倍,以防止电子泄漏,这种现象在高温下往往会增加。

  胡说:“我们知道,屏障电子泄漏是杀手,”如果不使用低温恒温器进行冷却,则会导致系统崩溃。“因此,我们设置了更高的屏障来防止泄漏,这是突破的关键。”

  胡说,以前,偶尔会探索更高的壁垒,但结果却不如前者。普遍的看法是,与较高的势垒相关的电子散射增加是有害的,因此应避免使用较高的势垒。

  研究团队为高障碍物的能带结构开发了正确的参数,并为设计设计了概念上新颖的优化方案。

  这项创新与“直接声子方案”结合使用,该方案可使激光器通过一种配置运行,在该配置中,每个模块或结构楼梯台阶的较低激光水平会通过声子(或一个振动能量单位)迅速消除电子。散射成基态,然后基态充当电子注入下一步骤的上层,然后重复该过程。正如艾伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)早在1916年首次设想的那样,系统中电子的这种排列对于发生激光至关重要。

  “这些结构非常复杂,在量子阱和势垒之间具有接近15,000个界面,其中一半甚至不到7个原子层厚,”合著者,滑铁卢大学纳米技术分会主席,电子和计算机工程教授Zbig Wasilewski说。这些接口的质量和可重复性对于太赫兹激光器的性能至关重要。在分子束外延生长能力(我们的研究团队的主要贡献)以及我们MIT合作者在量子器件建模和制造方面的专业知识中,它发挥了最好的作用,从而在这一具有挑战性的太赫兹光子学领域取得了重要进展。”

  在医疗环境中,这种新型便携式系统包括紧凑型相机和检测器,可以在任何地方使用电源插座运行,可以在常规皮肤癌筛查甚至外科手术过程中提供实时成像,以切除皮肤癌组织。胡说,癌细胞“以太赫兹的形式出现非常显着”,因为它们具有比正常细胞更高的水和血液浓度。

  该技术还可用于许多行业,在这些行业中必须检测产品中的异物以确保其安全性和质量。

  使用太赫兹辐射,气体,毒品和爆炸物的检测将变得特别复杂。例如,诸如氢氧烷(一种破坏臭氧的物质)之类的化合物在太赫兹频率范围内具有特殊的光谱“指纹”,包括甲基苯丙胺和海洛因的药物以及包括TNT的炸药也具有这种特征。

  胡说:“我们不仅可以通过不透光的材料看到物体,而且还可以识别这些物质。”

  加利福尼亚大学洛杉矶分校电气与计算机工程系教授本杰明·威廉姆斯(Benjamin Williams)表示,这项新研究为未来的发展打开了道路。威廉姆斯说:“麻省理工学院/滑铁卢的工作很重要,因为他们已经证明了在250 K的温度下工作。即使不在室温下,这一结果也表明确实存在进一步改进的机会。” “换句话说,在这个领域工作的所有小组都在'继续游戏'。”

  胡说,他看到了“无需冷却器即可产生强大的太赫兹”这一目标的“一条明确道路”。

  他说:“使用直接声子方案和更高的障碍是前进的方法。” “当我们达到室温时,我终于可以看到隧道尽头的光了。”

【光粒网综合报道】( 责任编辑:weixiang )
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