高功率便攜式太赫茲激光器問世

Science 1 在技術欄目深度報道了一篇來自Nature Photonics 2 的最新進展。隨著激光器的不斷發(fā)展，在紫外到紅外的大部分電磁光譜中已實現(xiàn)小型化、高功率和工業(yè)應用，使數(shù)字通信、條形碼讀取器、激光筆以及打印機等技術成為可能。但是光譜的一個關鍵區(qū)域仍然沒有被馴服，即紅外波與微波之間的太赫茲波段。

目前，這項工作有了巨大突破，研究人員已經(jīng)研發(fā)出高功率便攜性的THz QCL，并將繼續(xù)研發(fā)可以在室溫下工作的太赫茲探測器，將兩者結合使用便可使太赫茲成像等相關技術能夠在沒有活檢的情況下區(qū)分皮膚癌和正常組織，亦可檢測航空公司乘客和貨物中隱藏的爆炸物、非法藥物，甚至是假藥。

太赫茲（Terahertz，THz）是頻率在0.1~10THz范圍內產(chǎn)生的一種電磁輻射，其波段位于微波和紅外波之間，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也是電子學向光子學的過渡區(qū)，被稱為電磁波譜的“太赫茲空隙”。并且由于太赫茲具有頻帶寬、光子能量低、安全性好、光譜分辨能力強、相干性強等優(yōu)點，使其在無線通信、雷達和成像、醫(yī)學診斷、材料表征、安全檢測等領域具有廣泛的應用前景。

在實際工作中，諸如晶體管和倍頻器之類的電子設備可以在《1TH的頻譜范圍內工作；在》1THz的頻譜范圍內，常規(guī)的半導體光子器件可以滿足其要求，但由于太赫茲頻譜范圍的特殊性，使得常規(guī)半導體設備無法在該波段正常運行，因此獲得高性能的太赫茲源一直以來都是業(yè)界普遍關注的熱點，太赫茲量子級聯(lián)激光器（Quantum cascade Laser，QCL）的發(fā)現(xiàn)恰好填補了太赫茲源這一空白，但這種設備對冷卻條件極為苛刻，只能在實驗室環(huán)境中實現(xiàn)。

為了將THz-QCL的工作溫度升高，使其可以應用于實際生產(chǎn)工作中，麻省理工學院的胡青教授團隊等人通過一種新型的設計方案，開發(fā)了最高工作溫度為250K的高功率便攜式THz-QCL，如圖1所示，該系統(tǒng)對醫(yī)學成像、通信、質量監(jiān)測、安全檢測和生物化學領域的應用產(chǎn)生了至關重要的影響，相關研究成果以“High-power portable terahertz laser systems”為題發(fā)表在Nature Photonics中。

圖1 位于小型冷卻器上的太赫茲激光器

圖源：MIT

QCL是基于半導體耦合量子阱子帶（一般為導帶）間的電子躍遷所產(chǎn)生的一種單極性光源，由貝爾實驗室的研究人員于1994年首次實現(xiàn)，其發(fā)射波長不僅僅取決于半導體材料的化學性質和帶隙，而且取決于半導體的結構。

在此基礎上，2002年，意大利和英國的研究人員首次實現(xiàn)了太赫茲波段的QCL，但長期以來這種緊湊型的THz-QCL只能在超低溫下工作，隨著研究人員不斷的深入研究，在2012年的工作溫度已經(jīng)提高至200K（-73℃），而在接下來的很長時間中，Tmax的提升問題卻一直處于停滯的狀態(tài)，使得研究人員紛紛懷疑是否存在根本的物理原因導致THz-QCL不能在200K以上的溫度工作。

在2002~2018年器件，幾乎所有的Tmax記錄都是使用具有相對較低勢壘Al0.15Ga0.85As的GaAs/AlGaAs有源區(qū)實現(xiàn)的，隨著科研人員對其不斷的研究發(fā)現(xiàn)，在溫度較高時，載流子會越過這些勢壘形成泄露，進而成為影響THz-QCL工作的主要原因。

為了抑制這種泄露，需要鋁的占比超過15%而獲得更高的勢壘，但采用該方式獲得的Tmax均沒有達到較為理想的效果，因此當時得出的普遍結論是：增加電子散射或提高勢壘會降低器件的性能。

但后來，人們發(fā)現(xiàn)這些高勢壘器件通過其較高的束縛態(tài)在高溫下具有先前被忽視的泄漏通道，并且通過設計結構以最小化泄露通道后，可以使得Al0.3Ga0.7As勢壘的器件在室溫下獲得理想的非線性電流-電壓的特性。

另外，在之前THz-QCL研究中為了減少高溫下電子分布的熱尾散射，經(jīng)常使用一種對角結構，但這種結構會產(chǎn)生一定的電荷效應，從而會導致能帶的明顯彎曲，這點一直以來都被人們所忽略。

而緩解這種效應的一種解決方案是直接聲子方案：該方案使激光器通過一種結構，即每個模塊的較低激光能級或結構階梯的臺階，通過聲子散射到基態(tài)，使電子迅速減載，然后作為電子注入到下一步的上層并重復進行該過程，并且它還有一個額外的優(yōu)點，即對界面粗糙度和雜質引起的退相不敏感。

因此，基于以上特性，Ali Khalatpour等人將高勢壘的帶結構設計與直接聲子方案結合，提出了一種新穎的設計優(yōu)化方案：在AlGaAs勢壘中添加了更多的Al成分以防止載流子泄露，并通過精確地調整其分層結構（某些層僅有7個原子厚），使得THz-QCL的溫度可以達到標準緊湊型熱電冷卻器（TEC）所能達到的溫度。如圖2所示，為不同溫度下，使用室溫熱釋電探測器和THz相機對TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測量示意圖。

圖2 TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測量示意圖

圖源：Nature Photonics， 2020： 1-5 Fig3 （b、c、d、e）

從圖中可以看出，該QCL器件產(chǎn)生的激光源功率水平足以對光束方向圖進行實時成像和快速光譜測量。且這種TEC冷卻的THz-QCL與室溫探測器、相機結合可以使得便攜式THz激光系統(tǒng)在實驗室環(huán)境之外操作，極大的提高了太赫茲在眾多領域中的應用潛力。

文章信息

【論文】Khalatpour， A.， Paulsen， A.K.， Deimert， C. et al. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics （2020）。

責任編輯：PSY