研究人員開發出便攜式太赫茲激光器,用于強大的傳感和成像

時間:2020-11-10 14:17來源:光粒網作者:weixiang 點擊:
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摘要:到目前為止,要產生足以執行實時成像和快速光譜測量的太赫茲輻射,需要的溫度遠低于200開爾文(-100華氏度)或更低的溫度。只有使用笨重的設備才能達到這些溫度,而這些設備將技術的使用限制為實驗室環境。麻省理工學院電氣工程與計算機科學系著名教授Qing Hu及其同事在2020年11月2日發表于Nature Photonics的一篇論文中報告說,他們的太赫茲量子級聯激光器可以在高達250 K(-10 F)的

關鍵字:太赫茲,太赫茲激光器

太赫茲量子級聯激光器

  太赫茲量子級聯激光器(QCL)裝置的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。信用:由研究人員提供

  該儀器可以將強大的傳感和成像功能帶出實驗室,并帶入醫院,機場或其他環境。

  研究人員在麻省理工學院和滑鐵盧大學已經開發出一種高功率,稱為量子級聯激光器設備的便攜版本,它可以產生一個實驗室設置的太赫茲輻射之外。激光可以潛在地用于確定皮膚癌和檢測隱藏爆炸物的應用中。

  到目前為止,要產生足以執行實時成像和快速光譜測量的太赫茲輻射,需要的溫度遠低于200開爾文(-100華氏度)或更低的溫度。只有使用笨重的設備才能達到這些溫度,而這些設備將技術的使用限制為實驗室環境。麻省理工學院電氣工程與計算機科學系著名教授Qing Hu及其同事在2020年11月2日發表于Nature Photonics的一篇論文中報告說,他們的太赫茲量子級聯激光器可以在高達250 K(-10 F)的溫度下工作,意味著只需要一個緊湊的便攜式冷卻器。

便攜式太赫茲激光

  在右邊的照片中,您可以看到一個小的激光芯片,在咖啡杯旁邊的一塊上有一個熱電冷卻器。背景是一個很大的低溫冷卻器。在左側,您可以看到微小的太赫茲QCL。信用:由研究人員提供

  太赫茲量子級聯激光器是一種微小的芯片嵌入式半導體激光器,最早于2002年發明,但要使其適應遠超過200 K的工作被證明是如此困難,以至于本領域的許多人認為存在根本的物理原因阻止了該工作,胡說。

  胡說:“在較高的工作溫度下,我們最終可以將其放入緊湊的便攜式系統中,并將這項突破性技術帶出實驗室。” “這將使便攜式太赫茲成像和光譜系統能夠對醫學,生物化學,安全性和其他領域的廣泛應用產生直接影響。”

  早在1991年,胡就開始研究太赫茲頻率(太赫茲頻率是微波和紅外范圍之間的電磁頻譜帶)。

  他說:“ 2002年,我花了11年零三代學生的時間,制造了自己的[太赫茲量子級聯激光器]。” 從那時起,限制太赫茲輻射使用的最高工作溫度仍遠低于室溫。本文報道的最大250 K代表著2019年建立的先前最大210 K的巨大飛躍,超過了2012年之前保持七年不變的200 K記錄。

  激光的長度僅為幾毫米,比人的頭發還細,是帶有精心設計的阱和勢壘的量子阱結構。在該結構內,電子在一個階梯上“級聯”下來,在每個步驟中發射出一個光粒子或光子。

  Nature Photonics論文中描述的一項重要創新是使激光內的勢壘高度加倍,以防止電子泄漏,這種現象在高溫下往往會增加。

  胡說:“我們知道,屏障電子泄漏是殺手,”如果不使用低溫恒溫器進行冷卻,則會導致系統崩潰。“因此,我們設置了更高的屏障來防止泄漏,這是突破的關鍵。”

  胡說,以前,偶爾會探索更高的壁壘,但結果卻不如前者。普遍的看法是,與較高的勢壘相關的電子散射增加是有害的,因此應避免使用較高的勢壘。

  研究團隊為高障礙物的能帶結構開發了正確的參數,并為設計設計了概念上新穎的優化方案。

  這項創新與“直接聲子方案”結合使用,該方案可使激光器通過一種配置運行,在該配置中,每個模塊或結構樓梯臺階的較低激光水平會通過聲子(或一個振動能量單位)迅速消除電子。散射成基態,然后基態充當電子注入下一步驟的上層,然后重復該過程。正如艾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)早在1916年首次設想的那樣,系統中電子的這種排列對于發生激光至關重要。

  “這些結構非常復雜,在量子阱和勢壘之間具有接近15,000個界面,其中一半甚至不到7個原子層厚,”合著者,滑鐵盧大學納米技術分會主席,電子和計算機工程教授Zbig Wasilewski說。這些接口的質量和可重復性對于太赫茲激光器的性能至關重要。在分子束外延生長能力(我們的研究團隊的主要貢獻)以及我們MIT合作者在量子器件建模和制造方面的專業知識中,它發揮了最好的作用,從而在這一具有挑戰性的太赫茲光子學領域取得了重要進展。”

  在醫療環境中,這種新型便攜式系統包括緊湊型相機和檢測器,可以在任何地方使用電源插座運行,可以在常規皮膚癌篩查甚至外科手術過程中提供實時成像,以切除皮膚癌組織。胡說,癌細胞“以太赫茲的形式出現非常顯著”,因為它們具有比正常細胞更高的水和血液濃度。

  該技術還可用于許多行業,在這些行業中必須檢測產品中的異物以確保其安全性和質量。

  使用太赫茲輻射,氣體,毒品和爆炸物的檢測將變得特別復雜。例如,諸如氫氧烷(一種破壞臭氧的物質)之類的化合物在太赫茲頻率范圍內具有特殊的光譜“指紋”,包括甲基苯丙胺和海洛因的藥物以及包括TNT的炸藥也具有這種特征。

  胡說:“我們不僅可以通過不透光的材料看到物體,而且還可以識別這些物質。”

  加利福尼亞大學洛杉磯分校電氣與計算機工程系教授本杰明·威廉姆斯(Benjamin Williams)表示,這項新研究為未來的發展打開了道路。威廉姆斯說:“麻省理工學院/滑鐵盧的工作很重要,因為他們已經證明了在250 K的溫度下工作。即使不在室溫下,這一結果也表明確實存在進一步改進的機會。” “換句話說,在這個領域工作的所有小組都在'繼續游戲'。”

  胡說,他看到了“無需冷卻器即可產生強大的太赫茲”這一目標的“一條明確道路”。

  他說:“使用直接聲子方案和更高的障礙是前進的方法。” “當我們達到室溫時,我終于可以看到隧道盡頭的光了。”

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:weixiang )
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