對電磁波譜太赫茲（TeraHertz，THz）波段中的輻射，包括紅外和微波頻率的研究，有望在天體物理學(xué)及生物成像等領(lǐng)域獲得新的進(jìn)展。但是對于某些應(yīng)用來說，通向緊湊靈敏的太赫茲光源和探測器的道路上仍存在令人煩惱的障礙：多數(shù)必須在非常低的溫度下運行，這增加了器件的面積和復(fù)雜性。然而，近期有兩個小組發(fā)表的研究成果提供了一些方法來緩解探測和產(chǎn)生太赫茲輻射期間的低溫問題。

天體物理學(xué)工具

長期以來，天文科學(xué)家一直懷有仔細(xì)觀察遙遠(yuǎn)星系的夢想。但受限于技術(shù)，還無法詳細(xì)探測和分析數(shù)十億英里之外的恒星和太空活動。日前，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Samueli工程學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種超靈敏的光探測系統(tǒng)，可以使天文學(xué)家能夠仔細(xì)地觀察星系、恒星和行星系統(tǒng)。

與以往的光傳感器不同，UCLA開發(fā)的系統(tǒng)可在室溫下工作，相比之下，類似的技術(shù)僅能夠在接近-270°C（454°F）的溫度下工作。關(guān)于該技術(shù)的詳細(xì)介紹和進(jìn)展，請參照《自然天文學(xué)》上發(fā)表的論文：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0828-6。

這一新型傳感器系統(tǒng)，能夠檢測電磁波譜太赫茲波段中的輻射，其中包括遠(yuǎn)紅外和微波頻段。它可以產(chǎn)生超高清晰度的圖像，并且可以檢測寬光譜范圍內(nèi)的太赫茲波。據(jù)報道，它比目前僅在窄光譜范圍內(nèi)探測此類波的技術(shù)光譜范圍擴(kuò)大了10倍。

目前，科學(xué)家們設(shè)想的這一傳感系統(tǒng)，需要借助幾種不同類型的儀器。例如，該系統(tǒng)可以通過查看元素和分子的獨特指示光譜特征來識別其是否存在于空間區(qū)域中。

UCLA電氣與計算機工程教授Mona Jarrahi在一份聲明中說道，觀察太赫茲頻率可以讓我們看到通過光譜的其它波段看不到的細(xì)節(jié)。在天文學(xué)中，太赫茲探測范圍的優(yōu)勢在于，與紅外和可見光不同，太赫茲波不會被圍繞這些天文結(jié)構(gòu)的星際氣體和塵埃所掩蓋。

Jarrahi還補充說道，這項技術(shù)在天基觀測時尤其有效，因為與地球環(huán)境不同，太赫茲波能夠在不受大氣干擾的情況下被探測到。

科學(xué)家認(rèn)為，該系統(tǒng)能夠進(jìn)一步了解天文物體及其結(jié)構(gòu)的組成，以及它們?nèi)绾握Q生和死亡。該系統(tǒng)還可以揭示恒星和星系之間存在的氣體、塵埃和輻射相互作用的相關(guān)細(xì)節(jié)，并揭示分子宇宙起源的線索，這些線索可以用來判斷行星是否適合生命生存。

第一作者王寧（左）和美國光學(xué)學(xué)會會士（OSA Fellow）兼加州大學(xué)洛杉磯分校教授Mona Jarrahi，以及她們研發(fā)的太赫茲探測器裝置

要解決以上問題，需要在接近量子靈敏度極限運行的設(shè)備，能夠從極少數(shù)到達(dá)地面望遠(yuǎn)鏡的深空太赫茲光子中提取可用信號。問題是：要在外差太赫茲探測器中達(dá)到這個極限，通常需要超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（superconductor-insulator-superconductor，SIS）混頻器，它們只在低溫下運行，將太赫茲頻率變頻到用于信號處理的射頻波段。此外，此類太赫茲探測器往往只有相對有限的光譜帶寬，這意味著必須使用多個不同的設(shè)備來探測感興趣的更寬范圍的太赫茲輻射。

等離子體解決方案

Jarrahi和她的團(tuán)隊通過徹底改變探測器架構(gòu)來解決這個問題。最重要的是，她們用包括等離子體接觸的光混頻器取代了超導(dǎo)混頻器。接觸端由厚度為50nm、間隔緊密的鈦/金光柵組成，連接在光吸收半導(dǎo)體襯底頂部的對數(shù)螺旋天線上。

在太赫茲頻率下，光柵以太赫茲拍頻用光束進(jìn)行泵浦，將入射輻射轉(zhuǎn)換為表面等離子體波，在金屬-電介質(zhì)界面上嚴(yán)格限制電子振蕩。其結(jié)果是產(chǎn)生性能良好的本地振蕩器，可以與來自（例如）天文望遠(yuǎn)鏡的輸入太赫茲信號混合，產(chǎn)生下變頻拍頻信號，從而可通過標(biāo)準(zhǔn)射頻信號處理電子設(shè)備輕松處理。

寬頻帶、室溫下運行

UCLA的研究人員對他們設(shè)計的制造原型進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)它在室溫下可以有效地運行，靈敏度僅高于量子噪聲極限的三倍左右。此外，通過調(diào)整天線的幾何形狀并在一定頻率范圍內(nèi)掃描可調(diào)諧光學(xué)泵浦光束，單個集成器件可以拾取0.1~5THz頻率范圍內(nèi)的太赫茲信號。相比之下，研究人員指出，當(dāng)前的傳統(tǒng)太赫茲探測技術(shù)需要“大量低溫冷卻的SIS混頻器、HEB（hot electron bolometer，熱電子測輻射熱計）混頻器和太赫茲本地振蕩器”，才能在相似的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)相當(dāng)?shù)撵`敏度。

在研究報告的新聞發(fā)布會上，Jarrahi和她的同事指出，這種新設(shè)備在天基望遠(yuǎn)鏡中尤其有用，因為重量和售后等方面的問題使得很難將傳統(tǒng)低溫太赫茲探測系統(tǒng)與長期運行所需的冷卻箱裝在一起。該小組認(rèn)為，除了天文用途，這種緊湊的室溫探測器還可以用于大氣科學(xué)、氣體傳感和基本量子光學(xué)等領(lǐng)域。Jarrahi說：“在太赫茲頻率下觀察，我們可以看到光譜其它波段看不到的細(xì)節(jié)。”

太赫茲量子級聯(lián)激光器

與此同時，在大西洋彼岸，OSA會士兼瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Jér?me Faist帶領(lǐng)的研究小組一直在研究如何制造不需要低溫冷卻的緊湊型太赫茲光源。目前已有一候選，至少在緊湊性方面，它就是量子級聯(lián)激光器（quantum cascade laser，QCL），基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的注入激光器，1994年由Faist及其同事在貝爾實驗室首次展示。

例如，QCL作為支撐緊湊型中紅外傳感器用于環(huán)境應(yīng)用的光源已被廣泛使用（詳見《中紅外空氣質(zhì)量監(jiān)測》，OPN，2015年11月）。太赫茲波段的QCL開發(fā)還有很長的路要走。但是，盡管付出了很大努力來提高它們的最高運行溫度，太赫茲QCL仍然需要冷卻到200K以下（-73°C）。這意味著，無論半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)本身有多緊湊，它們都必須攜帶低溫冷卻設(shè)備，這使得基于它們的器件成本更高、體積更大、移動性更差。

雙阱設(shè)計

為了跨越200K的障礙，消除對低溫冷卻的需求，F(xiàn)aist的團(tuán)隊，包括主要作者Lorenzo Bosco和Martin Franckie，將重點落在了每周期包含兩個量子阱的結(jié)構(gòu)，從之前的建模和實驗中可知，這是在太赫茲波段達(dá)到更高工作溫度的可能途徑。但是設(shè)計和優(yōu)化這樣的結(jié)構(gòu)極其困難和敏感。因此，該團(tuán)隊采用了非平衡格林函數(shù)數(shù)值建模，該方案計算量龐大但效率極高，旨在為該設(shè)備優(yōu)化雙阱結(jié)構(gòu)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊的熱電冷卻太赫茲QCL（左上）由一組激光脊形條（左下）組成的激光芯片（右上）組成。激光器設(shè)計基于通過計算進(jìn)行設(shè)計的雙量子阱結(jié)構(gòu)（右下）。

拋棄低溫

在制造模型裝置時，該小組發(fā)現(xiàn)它可以在高達(dá)210K（-63°C）的溫度下有效地進(jìn)行激光發(fā)射，雖然不完全是穩(wěn)定的，但是比之前太赫茲QCL的最高工作溫度提高了整整10K。雖然10K的改進(jìn)聽起來并不多，但這足以讓團(tuán)隊完全拋棄低溫冷卻設(shè)備，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的小型熱電冷卻器來冷卻激光器。據(jù)該團(tuán)隊稱，這使得這項研究成為首次使用熱電制冷而不是低溫制冷來演示太赫茲QCL。

該團(tuán)隊認(rèn)為，這一優(yōu)勢可以“為新一代基于高功率太赫茲相干光源的片上便攜式太赫茲器件鋪平道路”。研究人員還看到了該研究結(jié)果在無創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)成像、安全篩查和其它領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。