德國科學(xué)家最新研發(fā)出了太赫茲波發(fā)射機

（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）
據(jù)德國亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心官網(wǎng)近日報道，該研究中心與德累斯頓工業(yè)大學(xué)、康斯坦茨大學(xué)的研究人員組成的團隊開發(fā)出一款可生成太赫茲短脈沖的鍺元件。太赫茲波，是指頻率范圍在100GHz到10THz之間，介于微波和紅外線之間的電磁波。太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、帶寬大、時間與空間分辨率高等技術(shù)優(yōu)勢。

如今，太赫茲波正在科技領(lǐng)域中變得越來越重要，它使我們能夠厘清未來材料的特性，測試汽車涂料與屏幕封套的質(zhì)量。然而，對于科學(xué)家來說，生成太赫茲波仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，德國亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心（HZDR）、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、康斯坦茨大學(xué)的研究人員組成的一支團隊在這方面取得了顯著進展。他們開發(fā)出一款可生成太赫茲短脈沖的鍺元件。這種脈沖的優(yōu)勢在于具有極寬的頻帶，從而可同時提供許多不同的太赫茲頻率。

正如團隊在《光：科學(xué)與應(yīng)用（Light: Science & Applications）》雜志上所報告的，因為可采用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中已使用的方法來生產(chǎn)這種元件，所以這項研究成果有望廣泛應(yīng)用于科研與技術(shù)。

就像光一樣，太赫茲波也屬于電磁輻射。在頻譜中，它們介于微波和紅外線輻射之間。雖然微波和紅外線輻射很早就已進入我們的日常生活，但是太赫茲波只是剛剛開始被使用。原因就是，自21世紀(jì)開始，專家們一直僅能構(gòu)造出可被合理接收的太赫茲波源。但是這些發(fā)射機仍不完美，相對較大較貴，而且發(fā)出的輻射并不是總具有我們所期望的特性。

一個公認(rèn)的生成太赫茲波的方法就是基于砷化鎵晶體。如果這個半導(dǎo)體晶體受到短激光脈沖的照射，就會形成砷化鎵載流子。施加電壓可以加速這些電荷的運動，從而生成太赫茲波，這種機制基本上與甚高頻（VHF）發(fā)射機天線塔的機制相同，這些天線塔中運動的電荷產(chǎn)生了無線電波。可是，這種方法有著許多缺點。HZDR 物理學(xué)家 Harald Schneider 解釋道道：“它只能通過相對較貴的特殊激光器來操控，不能通過我們在光纖通信中使用的激光器來操控?！绷硪粋€缺點是，砷化鎵晶體只能發(fā)出相對窄帶的太赫茲脈沖，其頻率范圍有限，從而大大限制了應(yīng)用范圍。

這就是為什么 Schneider 及其團隊要把賭注壓在另外一種材料：半導(dǎo)體鍺上。Schneider 表示：“有了鍺，我們就能使用較便宜的激光器即所謂的光纖激光器。此外，鍺晶體非常透明，從而可促進超寬帶脈沖的發(fā)射?！钡?，到目前為止，他們一直都有一個問題：如果用短激光脈沖照射純凈的鍺，半導(dǎo)體中的電荷在幾微秒之后才會消失。只有在這之后，晶體才能吸收下一個激光脈沖。然而，如今的激光器能以幾十納秒的間隔發(fā)射脈沖，這種發(fā)射速度對于鍺來說太快了。

為了克服這個困難，專家們想辦法使得鍺中的電荷消失得更快。他們在一種著名的貴金屬：金中找到了答案。Schneider 的同事 Abhishek Singh 博士解釋道：“我們使用了一款離子加速器來將金原子射入鍺晶體中。金穿透晶體的深度達100納米。”然后，科學(xué)家們在900攝氏度的條件下加熱晶體幾個小時。熱處理保證了金原子在鍺晶體中均勻分布。

當(dāng)團隊用超短激光脈沖照射摻雜金原子的鍺時，他們發(fā)現(xiàn)取得了成功：載流子并沒有在晶體中到處移動達幾微秒，而是在兩納秒內(nèi)又一次消失了，比之前的速度快千倍。形象地說，金就像陷阱，有助于捕捉以及中和電荷。Singh 很高興地報告：“現(xiàn)在，鍺晶體能被激光脈沖以很高的重復(fù)率轟擊，并且仍然正常工作。”

這種新方法使太赫茲脈沖的帶寬提升至很寬，不再是采用公認(rèn)的砷化鎵技術(shù)時的7太赫茲，而是它的10倍（70太赫茲）。Harald Schneider 激動地說：“我們一舉獲得了一種寬帶、連續(xù)、無隙的頻譜。這意味著，我們即將擁有一個真正多功能的太赫茲波源，它的應(yīng)用最多樣化?！绷硪粋€好處就是，鍺元件可以用微芯片所用的同樣技術(shù)來有效處理。Schneider 表示：“不同于砷化鎵，鍺是硅兼容的。因為這種新型元件能與標(biāo)準(zhǔn)的光纖激光器一起運行，所以你可以使這項技術(shù)變得相當(dāng)緊湊和便宜?！?/p>

這將使得金摻雜的鍺變成一項有意思的選擇，不僅可應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域例如詳細(xì)分析石墨烯等創(chuàng)新型二維材料，而且也可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和環(huán)境技術(shù)。例如，我們可以想象，用傳感器通過太赫茲頻譜追蹤大氣中特定的氣體?？墒?，現(xiàn)今的太赫茲波源還是太貴了。亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心開發(fā)的這種新方法未來將使得制造這種環(huán)境傳感器變得便宜得多。
（責(zé)任編輯：fqj）