麻省理工學(xué)院（MIT）和滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）的研究人員開發(fā)了一種高功率、便攜式的量子級聯(lián)激光器，這種激光器可以在實(shí)驗室環(huán)境之外產(chǎn)生太赫茲輻射。這種激光有可能應(yīng)用于諸如精確定位皮膚癌和探測隱藏爆炸物等領(lǐng)域。
到目前為止，能夠進(jìn)行實(shí)時成像和快速光譜測量的太赫茲輻射需要在遠(yuǎn)低于200開氏度（-100F/-73℃）甚至更低的溫度下運(yùn)行。要達(dá)到這種溫度就必須要有龐大的設(shè)備，這就限制了這項技術(shù)只能在實(shí)驗室中使用。
麻省理工學(xué)院電子工程和計算機(jī)科學(xué)特聘教授胡青（音）及其同事在其研究論文中表示，他們的太赫茲量子級聯(lián)激光器可以在高達(dá)250開氏度（-10F）的溫度下工作，這意味著只需要一個小巧的便攜式冷卻器就能達(dá)到這種溫度。他們的研究發(fā)表在《自然光子學(xué)》上。
胡教授表示：“太赫茲量子級聯(lián)激光器是一種嵌入芯片的微型半導(dǎo)體激光器，發(fā)明于2002年，但是要在200開氏度以上運(yùn)行是非常困難的，以至于有不少業(yè)界學(xué)者推斷這里面有一個基礎(chǔ)物理原理阻礙了這一過程。”
便攜式太赫茲
胡教授說：“由于可以適應(yīng)200開氏度以上溫度的環(huán)境，我們可以將太赫茲量子級聯(lián)激光器集成到一個小巧的便攜式系統(tǒng)中，并將這項突破性技術(shù)帶出實(shí)驗室。這有望令便攜式太赫茲成像和光譜系統(tǒng)得以面世，一旦面世將對醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、安全以及其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。”
“該領(lǐng)域的許多權(quán)威人士不相信這些設(shè)備可以在實(shí)驗室環(huán)境之外或接近室溫的任何地方工作，”滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家、電子和計算機(jī)工程教授Zbig Wasilewski評論道。“我們剛完成的研究正在改變這種看法。”
定制式工程
這些激光器只有幾毫米長，是量子阱結(jié)構(gòu)，帶有精心定制的阱和屏障。在這種結(jié)構(gòu)中，電子“級聯(lián)”地沿著一種階梯向下，每走一步都發(fā)射出一種輕粒子，即光子。
研究中的一項重要創(chuàng)新是將激光內(nèi)的屏障高度提高一倍，以防止電子的泄漏，而這種現(xiàn)象在高溫下往往會增加。
胡教授說：“我們知道電子泄漏是致命的。如果不使用低溫恒溫器冷卻，就會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。所以，我們設(shè)置了更高的屏障來防止泄漏，結(jié)果證明這是突破的關(guān)鍵。”
胡教授表示，以前，偶爾會有人去做高屏障的研究，但結(jié)果不如人意。普遍的觀點(diǎn)是，電子散射的增加與更高的屏障是有害的，因此不應(yīng)該設(shè)計更高的屏障。研究小組為能帶結(jié)構(gòu)開發(fā)了正確的參數(shù)以及為整體設(shè)計開發(fā)了一個概念新穎的優(yōu)化方案。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)
“這是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在量子阱和屏障之間有將近15000個界面，其中一半甚至還不到7個原子層的厚度，”合著者Wasilewski解釋說。“這些界面的質(zhì)量和再現(xiàn)性對太赫茲激光器的性能至關(guān)重要。”
在醫(yī)療領(lǐng)域，這種新型便攜式系統(tǒng)包括一個小巧的相機(jī)和探測器，可以在任何有電源插座的地方操作，可以在皮膚癌篩查甚至切除皮膚癌組織的手術(shù)過程中提供實(shí)時成像。胡教授表示，癌細(xì)胞“在太赫茲內(nèi)表現(xiàn)得非常明顯”，因為它們的水和血液濃度比正常細(xì)胞要高。該技術(shù)還可應(yīng)用于許多需要檢測產(chǎn)品內(nèi)部異物以確保產(chǎn)品安全和質(zhì)量的行業(yè)。
