緊湊型芯片激光器已經(jīng)征服了從紫外到紅外的大部分電磁頻譜，使得從數(shù)字通信、條形碼閱讀器，到激光指示器和打印機的科學技術(shù)成為可能。但是，頻譜中仍有一個關(guān)鍵區(qū)域未被“馴服”，那就是位于紅外和微波之間的太赫茲波段。

工程師渴望找到一種現(xiàn)成的能穿透不透明物體并探測其內(nèi)部化學指紋的太赫茲輻射源。但是現(xiàn)有的緊湊型太赫茲激光器只能在超低溫下工作，限制了其在實驗室環(huán)境中的應用。

將太赫茲激光器置于一個小型方形冷卻器的頂部，其激光可使新的便攜式醫(yī)療診斷和爆炸物探測成為可能。圖片來源：ALI KHALATPOUR

如今，一項新研究讓太赫茲激光器不再受制于溫度。

近日，研究人員在《自然—光子學》上報告稱，他們在一個芯片上制造出了米粒大小的太赫茲激光器，其工作溫度為250K，約為-23℃，其配套的插入式冷卻器也只有餅干大小。

“這是一項偉大的成就。”意大利國家研究委員會納米科學研究所凝聚態(tài)物理學家Miriam Vitiello說，提高太赫茲激光器的工作溫度一直是業(yè)界的長期目標，這項新發(fā)明讓從醫(yī)學成像到機場爆炸物探測的諸多應用成為可能。

當電子落入半導體合金中的電子空位后，標準芯片激光器會產(chǎn)生光子。其中，電子空位的組成決定了半導體合金的顏色，例如，氮化鎵發(fā)射藍光，而砷化鎵發(fā)射紅光。然而，沒有半導體合金發(fā)射太赫茲范圍內(nèi)的光子。

1994年，美國貝爾實驗室的研究人員發(fā)明了一種新的激光器，其半導體結(jié)構(gòu)，而不僅僅是化學性質(zhì)決定了波長。這種激光器被稱為量子級聯(lián)激光器（QCL），它包含數(shù)百層精確厚度的半導體。注入到其結(jié)構(gòu)中的電子級聯(lián)下降數(shù)百個能量級，每級釋放一個光子。

在最初的QCL中，這些光子仍處于紅外范圍，但是2002年，意大利和英國的研究人員更進一步，其制造的QCL發(fā)射的光子處于太赫茲范圍。但是上述設(shè)備工作溫度為50 K（-223.15℃）。

去年，由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理學家Jérome Faist領(lǐng)導的研究團隊推出了一種太赫茲QCL，它由數(shù)百層砷化鎵和鋁砷化鎵交替組成，工作溫度為210K（-63.15℃）。然而，其仍需配備體積龐大且價格昂貴的低溫冷卻器。

在較高溫度下，電子會一次躍過多層間的勢壘，而不是一步一層地穿過結(jié)構(gòu)。麻省理工學院的研究團隊已經(jīng)證明，通過更精確地調(diào)整其層狀結(jié)構(gòu)（某些層只有7個原子厚），可以使電子在足夠高溫度下工作，這一溫度足以用標準的緊湊型熱電制冷器實現(xiàn)。更重要的是，該策略可能使團隊最終制造出室溫太赫茲激光器。

室溫太赫茲輻射源可以與Vitiello和其他研究人員正在開發(fā)的這種在室溫下工作的太赫茲探測器配對，這種聯(lián)合可使諸如太赫茲成像儀這樣的設(shè)備，在不進行活檢的情況下區(qū)分皮膚癌和正常組織，也可以觀察航空乘客和貨物中隱藏的爆炸物、非法藥物，甚至假藥。“我們期待這一天已經(jīng)很久了。”Faist說。

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