实验室的便携式Terahertz激光器

到目前为止，产生Terahertz辐射功能足以实时执行成像快速光谱测量需要的温度远远低于200 kelvins（-100华氏度）或较低。这些温度只能通过将技术用途限制在实验室环境中的笨重设备才能达到。麻省理工学院杰出的电气工程和计算机科学教授清胡子和他的同事报告说他们的Terahertz量子级联激光器可以在高达250 K（-10 F）的温度下起作用，这意味着只需要紧凑的便携式冷却器。

Terahertz量子级联激光器，微小的芯片装饰半导体Hu说，激光设备最初是在2002年发明的，但将其适应远远高于200 K的行为被证明是如此困难，以至于该领域的许多人推测有根本的物理原因阻止了它。“在工作温度高的情况下，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从实验室，”胡说。“这将使便携式Terahertz成像和光谱系统能够立即对医学的广泛应用产生直接影响，生物化学，安全和其他领域。”

Hu于1991年开始研究Terahertz频率 - 微波和红外范围之间的电磁光谱频带。他说。从那时起，限制使用Terahertz辐射的最高工作温度一直远低于室温。本文报告的最多250 K是从2019年建立的210 K的最高最大值的大幅上升，超过了2012年的200 K纪录，该记录一直保持不变七年。

激光器的长度仅几毫米，比人的头发薄，是具有精心定制的井和屏障的量子井结构。在结构内，电子在每个步骤中都会“级联”沿着一种楼梯，发出光粒子或光子。

自然光子学论文中描述的一个重要创新是激光内屏障高度的加倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下倾向于增加。Hu说：“我们了解到，过度的电子泄漏是杀手。”“因此，我们设置了更高的障碍以防止泄漏，事实证明这是突破的关键。”

Hu说，以前，偶尔探索了更高的障碍，但结果较低。普遍的观点是，与较高屏障相关的电子散射增加是有害的，因此应避免更高的屏障。

研究团队为高大障碍的频带结构开发了正确的参数，并针对设计的概念上新颖的优化方案。

This innovation was paired with a “direct phonon scheme” that keeps the laser operating through a configuration in which lower lasing levels of each module, or steps of the structure’s staircase, are quickly depopulated of electrons through phonon (or a unit of vibrational energy) scattering into a ground state, which then serves as the injector of electrons into the next step’s upper level, and the process repeats. Such an arrangement of the electrons in the system is essential for lasing to occur, as first envisioned by Albert Einstein back in 1916.

“这些是非常复杂的结构，在量子井和障碍物之间具有接近15,000个接口，其中一半甚至没有七个原子层厚。”电气和计算机工程教授Zbig Wasilewski以及滑铁卢大学的纳米技术主席Zbig Wasilewski说。。“这些接口的质量和可重复性对于Terahertz Lasers的性能至关重要。它在分子束外延生长能力（我们的研究团队的关键贡献）上发挥了最好的作用，以及MIT合作者在量子设备建模和制造方面的专业知识，以在THZ Photonics的这个挑战性领域中取得如此重要的进步。”

在医疗环境中，新的便携式系统包括紧凑型摄像头和探测器，可以在任何地方使用电源插座运行，可以在常规的皮肤癌筛选中甚至在手术过程中提供实时成像，以消除皮肤癌组织。Hu说，癌细胞显示出“在Terahertz中非常明显”，因为它们的水和血液浓度比正常细胞更高。

该技术也可以应用于许多行业，在这些行业中，必须在产品中检测出来的外国物体以确保其安全性和质量。

通过使用Terahertz辐射，可以发现气体，药物和炸药的检测变得特别复杂。例如，氢氧化物（臭氧毁灭剂）等化合物在Terahertz频率愤怒中具有特殊的光谱“指纹”，包括甲基苯丙胺和海洛因在内的药物以及包括TNT在内的爆炸物。Hu说：“我们不仅可以通过光学不透明的材料看到对象，而且还可以识别物质。”

加州大学洛杉矶分校电气和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进步开放了途径。威廉姆斯说：“麻省理工学院/滑铁卢的工作很重要，因为它们已经在250 K处证明了操作。尽管它不在室温下，但该结果表明有真正的进一步改进的机会。”“换句话说，对于该领域工作的所有小组，'游戏仍在打开'。”

胡说，他认为能够产生强大的Terahertz而无需冷却器的目标是“清晰的道路”。他说：“使用直接声子方案和更高的障碍是前进的道路。”“当我们达到室温时，我终于可以看到隧道末端的光线。”