太赫茲成像探測輕松檢測安檢時(shí)的危險(xiǎn)物品

眾所周知

當(dāng)乘坐地鐵、高鐵、飛機(jī)等公共交通時(shí)

都有一道必過的關(guān)卡

安檢

有人曾經(jīng)發(fā)帖調(diào)侃

“你們見過扎丸子頭過安檢嗎

連頭上的丸子都要捏一下的”

很多人不理解為什么檢查要這么嚴(yán)格

知乎有這樣一個(gè)熱門問題

問題的回答里令人震驚

你永遠(yuǎn)不知道危險(xiǎn)物品會(huì)被偽裝成什么樣

比如下的梳子

探查衣服內(nèi)的武器和違禁品，大家的固有思維可能會(huì)聯(lián)想到X光，但其實(shí)當(dāng)今最佳手段之一要推太赫茲成像探測，這種新發(fā)展起來的技術(shù)，正在對(duì)未來的生活、醫(yī)療和安防產(chǎn)生巨大的影響。太赫茲光譜研究成像技術(shù)的發(fā)展，將使安保進(jìn)入一種嶄新的境界。

這種頻率在0.1~10THz范圍內(nèi)的太赫茲波，波長是30μm~3mm范圍，處于微波與紅外輻射之間。它作為一種電磁波，對(duì)非金屬片材如塑料、陶瓷、紙板、棉布等穿透性很大，對(duì)于水等極性物質(zhì)會(huì)被吸收，對(duì)于金屬則幾乎無法穿透而被反射。這樣，平常攜帶的箱包、衣物在太赫茲射線下就會(huì)呈現(xiàn)透明狀態(tài)，而兇器中的金屬體和其他物體的形狀則會(huì)顯現(xiàn)，并且通過捕捉進(jìn)入檢測的爆炸物、毒品等的光譜特征峰，形成太赫茲“指紋譜”，就能發(fā)現(xiàn)違禁品，大大提升了安全系數(shù) 。

那么這種具有巨大應(yīng)用前景的太赫茲波從何產(chǎn)生呢？

量子級(jí)聯(lián)激光器

作為目前最重要的中遠(yuǎn)紅外光源，量子級(jí)聯(lián)激光器頻率可拓展至太赫茲（THz），是重要的THz輻射源。

量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantumcascade Laser，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。

量子指的是通過調(diào)整有源區(qū)量子阱的厚度可以改變子帶的能級(jí)間距，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的“裁剪”，另外也指器件的尺寸較小。級(jí)聯(lián)意思是有源區(qū)中上一組成部分的輸出是下一部分的輸入，一級(jí)接一級(jí)串聯(lián)在一起。激光器是指產(chǎn)生特定波長的光源。

作為全固態(tài)的電泵浦光源，QCL能實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬和連續(xù)發(fā)射， 是目前研究的熱門方向之一。

發(fā)展歷程

1971年，Kazarinov和Suris發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中， 電子在離散的子帶間躍遷可以實(shí)現(xiàn)受激輻射， 這為QCL的誕生提供了理論依據(jù)。世界上第一個(gè)QCL于1994年誕生于貝爾實(shí)驗(yàn)室，F(xiàn)aist J.和 Capasso F.等人采用InAlAs/InGaAs/InP材料體系研制成，從此，QCL各方面的研究得到了迅速的發(fā)展。

其中，1997年分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器（DFB-QCL）研制成功，實(shí)現(xiàn)了波長為5.4μm和8μm的 DFB-QCL 的室溫工作；2002年波長為9.1μm量子級(jí)聯(lián)激光器成功問世并能夠在室溫連續(xù)工作，器件在292K時(shí)輸出功率達(dá)到17mW。這兩大發(fā)明可以被稱為QCL發(fā)展過程中兩個(gè)里程碑，充分奠定了后人在該領(lǐng)域取得巨大進(jìn)展的基礎(chǔ)。

分類

量子級(jí)聯(lián)激光理論的創(chuàng)立及量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的高特征溫度，獲得了高可靠性的中遠(yuǎn)紅外波，以及高的輸出功率。一般而言，量子級(jí)聯(lián)激光器系統(tǒng)包括量子級(jí)聯(lián)激光模塊，控制模塊以及接口模塊。量子級(jí)聯(lián)激光器從結(jié)構(gòu)上來說，可以分為分布反饋（Distributed Feedback）QCL，F(xiàn)-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity ）QCL 。

工作原理

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器相比，QCL最大的不同在于它是單極性激光器。QCL由多層量子阱結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)單層的量子阱結(jié)構(gòu)都包括激發(fā)區(qū)和注入?yún)^(qū)。由于量子隧穿效應(yīng)，電子會(huì)從一組耦合量子阱的注入?yún)^(qū)隧穿到另一組耦合量子阱的激發(fā)區(qū)，同時(shí)高能級(jí)的電子向低能級(jí)轉(zhuǎn)化，并釋放光子和能量。這樣，下一級(jí)同樣耦合量子阱結(jié)構(gòu)的注入電子就來自上一級(jí)結(jié)構(gòu)所發(fā)射出的光子，形成了QCL 的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

量子級(jí)聯(lián)激光器的有源工作層由有源區(qū)和注入?yún)^(qū)組成一個(gè)周期，有源區(qū)是耦合三量子阱結(jié)構(gòu)，注入?yún)^(qū)為遞變超晶格。圖中給出了有源區(qū)的電子子能級(jí)位置、波函數(shù)布局、注入?yún)^(qū)中的微帶、微帶隙位置及形狀。

圖中清楚地顯示了量子級(jí)聯(lián)激光器的有源工作層的基本物理過程。在外場作用下，有源區(qū)三個(gè)量子阱組成最低三個(gè)能級(jí) n1，n2，n3。n3和n2能級(jí)為電子受激躍遷的上激發(fā)態(tài)能級(jí)和下激發(fā)態(tài)能級(jí)，通過對(duì)各阱的寬度和間隔進(jìn)行調(diào)整，使n3和n2能級(jí)的能量差對(duì)應(yīng)于所需激光器的激射波長，并使n2和n1能級(jí)的能量差E2－E1為一個(gè)光學(xué)聲子的能量；設(shè)計(jì)注入?yún)^(qū)中各阱的寬度和間隔，使在外場作用下注入?yún)^(qū)形成微帶和微帶隙，使微帶與同一周期有源區(qū)中的 n2 和n1能級(jí)對(duì)齊并與下一個(gè)周期有源區(qū)的n3能級(jí)對(duì)齊，使微帶隙與同一周期有源區(qū)n3能級(jí)對(duì)齊。在有源區(qū)n3能級(jí)上的電子受激躍遷到n2能級(jí)并發(fā)射光子，n2能級(jí)上的電子釋放一個(gè)光學(xué)聲子，通過共振輸運(yùn)快速弛豫到n1能級(jí)，在聲子輔助下隧穿經(jīng)過注入?yún)^(qū)的微帶注入到下一個(gè)周期有源區(qū)的上激發(fā)態(tài)。重復(fù)上一周期的輸運(yùn)物理過程，一級(jí)一級(jí)傳遞下去，通過級(jí)聯(lián)過程實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子可發(fā)射和級(jí)數(shù)N相等的N個(gè)光子。

量子級(jí)聯(lián)激光器是基于量子阱中導(dǎo)帶子帶間的躍遷，激光的產(chǎn)生來源于電子從子帶的高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷，一個(gè)電子可以產(chǎn)生 N 個(gè)光子，激射波長是由子帶的高能級(jí)和低能級(jí)差決定的，可以通過改變有源區(qū)量子阱的寬度，從而改變子帶的高能級(jí)和低能級(jí)差，最終改變激射波長，理論預(yù)測可覆蓋幾微米到幾百微米以上很寬的波長范圍。

優(yōu)勢

波長覆蓋范圍寬

量子級(jí)聯(lián)激光器從波長設(shè)計(jì)原理上與常規(guī)半導(dǎo)體激光器不同，常規(guī)半導(dǎo)體激光器的激射波長受限于材料自身的禁帶寬度，而 QCL 的激射波長是由導(dǎo)帶中子帶間的能級(jí)間距決定的，可以通過調(diào)節(jié)量子阱/壘層的厚度改變子帶間的能級(jí)間距，從而改變 QCL 的激射波長。從理論上講，QCL 可以覆蓋中遠(yuǎn)紅外到 THz 波段。

單個(gè)激光器激射波長連續(xù)可調(diào)諧

對(duì)于各種氣體的檢測，需要激光器的波長精確平滑地從一個(gè)波長調(diào)諧到另一個(gè)波長。對(duì)于特定氣體的檢測，波長更需要精確的調(diào)節(jié)以匹配其吸收線，也稱為分子“指紋”。另外，通過波長調(diào)節(jié)以匹配氣體的第二條吸收線，可以用來作為第一條吸收線是否正確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。單個(gè)激光器的激射波長可以通過改變溫度和工作電流進(jìn)行調(diào)諧，已有技術(shù)通過改變激光器的工作溫度，得到波長 9μm 激光器中心頻率 0.9%的調(diào)諧范圍。而使用外置光柵，可以得到更寬的波長調(diào)諧范圍。

量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率較高

比起中紅外波段其它光源，QCL 的輸出功率較高。不同的激光氣體檢測應(yīng)用中會(huì)需要不同的功率，故激光器的高功率工作是非常必要的。改變工作電流就可以改變激光器的輸出功率，高功率的激光器能夠提供的功率范圍大，可以滿足更多的應(yīng)用場景。

QCL 輸出功率較高的原因可以歸結(jié)于其本身的有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其電子利用效率較高。理論上一個(gè)電子可以產(chǎn)生與有源區(qū)級(jí)數(shù)相同的光子數(shù)，從而內(nèi)量子效率較高，輸出的功率也就越大。而常規(guī)的半導(dǎo)體激光器中，一個(gè)電子在與空穴相遇后僅輻射出一個(gè)光子。

閾值電流密度較低

常規(guī)半導(dǎo)體激光器是雙極性器件，導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合生成光子，而量子級(jí)聯(lián)激光器是單極性器件，只靠導(dǎo)帶中子帶間電子的躍遷產(chǎn)生光子，如右圖所示，電子躍遷的始態(tài)與終態(tài)的曲線的曲率相同，這樣形成的增益譜很窄而且對(duì)稱，是量子級(jí)聯(lián)激光器能夠低閾值工作的一個(gè)原因。當(dāng)然，QCL 的閾值電流密度也與有源區(qū)設(shè)計(jì)，材料生長以及器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。

尺寸較小

量子級(jí)聯(lián)激光器的尺寸較小，如右圖所示，量子級(jí)聯(lián)激光器管芯的長度一般為 3mm，隨著激光器性能提高，可以將其封裝在方盒內(nèi)，從而方便地移動(dòng)和操作。

應(yīng)用

由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，量子級(jí)聯(lián)激光器作為最重要的中紅外光源發(fā)揮著巨大的作用，同時(shí)頻率可拓展至太赫茲（THz）波段，也是重要的THz輻射源，本文開頭所述就是其廣泛應(yīng)用之一。以下為電磁波頻段示意圖和各個(gè)頻段的應(yīng)用。大多數(shù)原子、分子轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)躍遷在中紅外波段具有很強(qiáng)的特征吸收譜線，因此單模、寬波長調(diào)諧中紅外激光器在毒品和爆炸物監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等方面占有十分重要的地位，被認(rèn)為是最理想的半導(dǎo)體吸收光譜儀光源。

隨著太赫茲QCL性能的進(jìn)一步提高，其將具有更廣泛的應(yīng)用。如，可以利用太赫茲QCL做成像設(shè)備，與微波相比，由于太赫茲波的波長短，具有更高的能量，穿透能力更強(qiáng)，成像也更清晰；太赫茲QCL還可用于太赫茲通信，由于太赫茲波段的頻帶寬是微波的 1000 倍，因此太赫茲通信有很廣闊的應(yīng)用前景。近年來，太赫茲雷達(dá)因其具有信號(hào)帶寬大、分辨力高的優(yōu)勢，逐漸成為目標(biāo)檢測和識(shí)別的重要設(shè)備，太赫茲雷達(dá)觀測的行人微多普勒特征可用于行人的檢測和識(shí)別、無人車和智能駕駛等。

結(jié)語

經(jīng)過以上介紹

相信大家對(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器有了一定的了解

其帶來的太赫茲波

以及引申而來的太赫茲科學(xué)技術(shù)

將會(huì)帶來一場技術(shù)變革

我們期待著更先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)

編輯：jq