Science ¹ 在技術欄目深度報道了一篇來自Nature Photonics ² 的最新進展。隨著激光器的不斷發展，在紫外到紅外的大部分電磁光譜中已實現小型化、高功率和工業(ye) 應用，使數字通信、條形碼讀取器、激光筆以及打印機等技術成為(wei) 可能。但是光譜的一個(ge) 關(guan) 鍵區域仍然沒有被馴服，即紅外波與(yu) 微波之間的太赫茲(zi) 波段。

目前，這項工作有了巨大突破，研究人員已經研發出高功率便攜性的THz QCL，並將繼續研發可以在室溫下工作的太赫茲(zi) 探測器，將兩(liang) 者結合使用便可使太赫茲(zi) 成像等相關(guan) 技術能夠在沒有活檢的情況下區分皮膚癌和正常組織，亦可檢測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。

圖源：中國科學院長春光機所，Light出版中心，新媒體(ti) 工作組

太赫茲(zi) （Terahertz，THz）是頻率在0.1~10THz範圍內(nei) 產(chan) 生的一種電磁輻射，其波段位於(yu) 微波和紅外波之間，是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也是電子學向光子學的過渡區，被稱為(wei) 電磁波譜的“太赫茲(zi) 空隙”。並且由於(yu) 太赫茲(zi) 具有頻帶寬、光子能量低、安全性好、光譜分辨能力強、相幹性強等優(you) 點，使其在無線通信、雷達和成像、醫學診斷、材料表征、安全檢測等領域具有廣泛的應用前景。

在實際工作中，諸如晶體(ti) 管和倍頻器之類的電子設備可以在

為(wei) 了將THz-QCL的工作溫度升高，使其可以應用於(yu) 實際生產(chan) 工作中，麻省理工學院的胡青教授團隊等人通過一種新型的設計方案，開發了最高工作溫度為(wei) 250K的高功率便攜式THz-QCL，如圖1所示，該係統對醫學成像、通信、質量監測、安全檢測和生物化學領域的應用產(chan) 生了至關(guan) 重要的影響，相關(guan) 研究成果以“High-power portable terahertz laser systems”為(wei) 題發表在Nature Photonics中。

圖1 位於(yu) 小型冷卻器上的太赫茲(zi) 激光器

圖源：MIT

QCL是基於(yu) 半導體(ti) 耦合量子阱子帶（一般為(wei) 導帶）間的電子躍遷所產(chan) 生的一種單極性光源，由貝爾實驗室的研究人員於(yu) 1994年首次實現，其發射波長不僅(jin) 僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 半導體(ti) 材料的化學性質和帶隙，而且取決(jue) 於(yu) 半導體(ti) 的結構。

在此基礎上，2002年，意大利和英國的研究人員首次實現了太赫茲(zi) 波段的QCL，但長期以來這種緊湊型的THz-QCL隻能在超低溫下工作，隨著研究人員不斷的深入研究，在2012年的工作溫度已經提高至200K（-73℃），而在接下來的很長時間中，Tmax的提升問題卻一直處於(yu) 停滯的狀態，使得研究人員紛紛懷疑是否存在根本的物理原因導致THz-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較低勢壘Al0.15Ga0.85As的GaAs/AlGaAs有源區實現的，隨著科研人員對其不斷的研究發現，在溫度較高時，載流子會(hui) 越過這些勢壘形成泄露，進而成為(wei) 影響THz-QCL工作的主要原因。

為(wei) 了抑製這種泄露，需要鋁的占比超過15%而獲得更高的勢壘，但采用該方式獲得的Tmax均沒有達到較為(wei) 理想的效果，因此當時得出的普遍結論是：增加電子散射或提高勢壘會(hui) 降低器件的性能。

但後來，人們(men) 發現這些高勢壘器件通過其較高的束縛態在高溫下具有先前被忽視的泄漏通道，並且通過設計結構以最小化泄露通道後，可以使得Al0.3Ga0.7As勢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(wei) 了減少高溫下電子分布的熱尾散射，經常使用一種對角結構，但這種結構會(hui) 產(chan) 生一定的電荷效應，從(cong) 而會(hui) 導致能帶的明顯彎曲，這點一直以來都被人們(men) 所忽略。

而緩解這種效應的一種解決(jue) 方案是直接聲子方案：該方案使激光器通過一種結構，即每個(ge) 模塊的較低激光能級或結構階梯的台階，通過聲子散射到基態，使電子迅速減載，然後作為(wei) 電子注入到下一步的上層並重複進行該過程，並且它還有一個(ge) 額外的優(you) 點，即對界麵粗糙度和雜質引起的退相不敏感。

因此，基於(yu) 以上特性，Ali Khalatpour等人將高勢壘的帶結構設計與(yu) 直接聲子方案結合，提出了一種新穎的設計優(you) 化方案：在AlGaAs勢壘中添加了更多的Al成分以防止載流子泄露，並通過精確地調整其分層結構（某些層僅(jin) 有7個(ge) 原子厚），使得THz-QCL的溫度可以達到標準緊湊型熱電冷卻器（TEC）所能達到的溫度。如圖2所示，為(wei) 不同溫度下，使用室溫熱釋電探測器和THz相機對TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測量示意圖。

圖2 TEC冷卻的THz-QCL器件的光束圖像測量示意圖

圖源：Nature Photonics, 2020: 1-5 Fig3 (b、c、d、e)

從(cong) 圖中可以看出，該QCL器件產(chan) 生的激光源功率水平足以對光束方向圖進行實時成像和快速光譜測量。且這種TEC冷卻的THz-QCL與(yu) 室溫探測器、相機結合可以使得便攜式THz激光係統在實驗室環境之外操作，極大的提高了太赫茲(zi) 在眾(zhong) 多領域中的應用潛力。

文章信息

【論文】Khalatpour, A., Paulsen, A.K., Deimert, C. et al. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics (2020).