高功率便攜式太赫茲激光器問世

Science 1 在技術(shù)欄目深度報(bào)道了一篇來自Nature Photonics 2 的最新進(jìn)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(shí)現(xiàn)小型化、高功率和工業(yè)應(yīng)用，使數(shù)字通信、條形碼讀取器、激光筆以及打印機(jī)等技術(shù)成為可能。但是光譜的一個(gè)關(guān)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(xiàng)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(cè)器，將兩者結(jié)合使用便可使太赫茲成像等相關(guān)技術(shù)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(cè)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(nèi)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(xué)向光子學(xué)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(qiáng)、相干性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在無線通信、雷達(dá)和成像、醫(yī)學(xué)診斷、材料表征、安全檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在實(shí)際工作中，諸如晶體管和倍頻器之類的電子設(shè)備可以在《1TH的頻譜范圍內(nèi)工作；在》1THz的頻譜范圍內(nèi)，常規(guī)的半導(dǎo)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(dǎo)體設(shè)備無法在該波段正常運(yùn)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(guān)注的熱點(diǎn)，太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum cascade Laser，QCL）的發(fā)現(xiàn)恰好填補(bǔ)了太赫茲源這一空白，但這種設(shè)備對(duì)冷卻條件極為苛刻，只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

為了將THz-QCL的工作溫度升高，使其可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)工作中，麻省理工學(xué)院的胡青教授團(tuán)隊(duì)等人通過一種新型的設(shè)計(jì)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(duì)醫(yī)學(xué)成像、通信、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)和生物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，相關(guān)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(dǎo)體耦合量子阱子帶（一般為導(dǎo)帶）間的電子躍遷所產(chǎn)生的一種單極性光源，由貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1994年首次實(shí)現(xiàn)，其發(fā)射波長(zhǎng)不僅僅取決于半導(dǎo)體材料的化學(xué)性質(zhì)和帶隙，而且取決于半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，2002年，意大利和英國(guó)的研究人員首次實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段的QCL，但長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)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?qū)е耇Hz-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(duì)較低勢(shì)壘Al0.15Ga0.85As的GaAs/AlGaAs有源區(qū)實(shí)現(xiàn)的，隨著科研人員對(duì)其不斷的研究發(fā)現(xiàn)，在溫度較高時(shí)，載流子會(huì)越過這些勢(shì)壘形成泄露，進(jìn)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(shì)壘，但采用該方式獲得的Tmax均沒有達(dá)到較為理想的效果，因此當(dāng)時(shí)得出的普遍結(jié)論是：增加電子散射或提高勢(shì)壘會(huì)降低器件的性能。

但后來，人們發(fā)現(xiàn)這些高勢(shì)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以最小化泄露通道后，可以使得Al0.3Ga0.7As勢(shì)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(duì)角結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的電荷效應(yīng)，從而會(huì)導(dǎo)致能帶的明顯彎曲，這點(diǎn)一直以來都被人們所忽略。

而緩解這種效應(yīng)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(jié)構(gòu)，即每個(gè)模塊的較低激光能級(jí)或結(jié)構(gòu)階梯的臺(tái)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(fù)進(jìn)行該過程，并且它還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)界面粗糙度和雜質(zhì)引起的退相不敏感。

因此，基于以上特性，Ali Khalatpour等人將高勢(shì)壘的帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與直接聲子方案結(jié)合，提出了一種新穎的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案：在AlGaAs勢(shì)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(diào)整其分層結(jié)構(gòu)（某些層僅有7個(gè)原子厚），使得THz-QCL的溫度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)緊湊型熱電冷卻器（TEC）所能達(dá)到的溫度。如圖2所示，為不同溫度下，使用室溫?zé)後岆娞綔y(cè)器和THz相機(jī)對(duì)TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測(cè)量示意圖。

圖2 TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測(cè)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(duì)光束方向圖進(jìn)行實(shí)時(shí)成像和快速光譜測(cè)量。且這種TEC冷卻的THz-QCL與室溫探測(cè)器、相機(jī)結(jié)合可以使得便攜式THz激光系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外操作，極大的提高了太赫茲在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)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(zé)任編輯：PSY