太赫茲(zi) 激光器位於(yu) 小型方形冷卻器上。

最近，科學家研製出一種新型米粒大小的便攜式太赫茲(zi) 激光器，其工作溫度為(wei) 250K（-23℃），可用於(yu) 餅幹大小的插入式冷卻器。這項研究將推動太赫茲(zi) 激光器在醫學成像、通信、質量控製、安全和生物化學等諸多領域“大顯身手”。

此前，緊湊的、基於(yu) 芯片的激光器已經征服了從(cong) 紫外到紅外的大部分電磁光譜，使得從(cong) 數字通信和條形碼讀取器到激光筆和打印機的技術成為(wei) 可能。但光譜的一個(ge) 關(guan) 鍵區域仍未被控製——位於(yu) 紅外線和微波之間的太赫茲(zi) 波段。

工程師們(men) 渴望找到一種現成的太赫茲(zi) 輻射源，它能穿透不透明物體(ti) 並探測內(nei) 部的“化學指紋”。到目前為(wei) 止，太赫茲(zi) 輻射已被用於(yu) 實時成像和快速光譜測量，所需溫度遠低於(yu) 200 kelvins (- 100華氏度)或更低。但是緊湊型太赫茲(zi) 激光器隻能在超低溫度下工作，這將它主要局限於(yu) 實驗室環境。

不過這很快將得以改變。作為(wei) 解決(jue) 方案，麻省理工學院和滑鐵盧大學的科學家有一個(ge) 高功率的便攜式量子級聯激光裝置，它可以在實驗室之外產(chan) 生太赫茲(zi) 輻射。激光可以在250 K(-10華氏度)的溫度下工作，這意味著隻需要一個(ge) 緊湊的便攜式冷卻器。

在最新的一期《自然·光子學》的一篇論文中，研究人員宣稱，在工作於(yu) 250 K或–23°C的芯片上創建了一個(ge) 米粒大小的太赫茲(zi) 激光，可在插入式冷卻器的可及範圍內(nei) 工作，其大小相當於(yu) 裂解器的大小。

“這是一個(ge) 偉(wei) 大的成就，”意大利國家研究委員會(hui) 納米科學研究所的凝聚態物理學家Miriam Vitiello評價(jia) 道，“提高太赫茲(zi) 激光的溫度一直是業(ye) 界的長期目標。”

她補充道，從(cong) 醫療成像到機場的爆炸物檢測，將出現大量的應用。

當電子落入半導體(ti) 合金內(nei) 的電子空位時，基於(yu) 芯片的標準激光器會(hui) 產(chan) 生光子，半導體(ti) 合金的組成決(jue) 定了顏色。例如，氮化镓發出藍光，而砷化镓則發出紅光。然而，沒有半導體(ti) 合金在太赫茲(zi) 範圍內(nei) 發射光子(“太赫茲(zi) ”指的是光的頻率：每秒數萬(wan) 億(yi) 個(ge) 循環。)。1994年，AT&T貝爾實驗室的研究人員發明了一種新的激光器，其中半導體(ti) 的結構（不僅(jin) 僅(jin) 是它的化學性質）決(jue) 定了波長，它被稱為(wei) 量子級聯激光器(QCL)，包含數百層厚度精確的半導體(ti) 。注入到結構中的電子沿著數百個(ge) 能量級聯級聯，在每個(ge) 能量級上釋放出一個(ge) 光子。這些光子在第一個(ge) QCL中是紅外光，但2002年，意大利和英國的研究人員發明了發射太赫茲(zi) 光子的QCL激光器。

這些設備需要冷卻到50K，但去年，蘇黎世的物理學家Jérôme Faist 領導的研究小組推出了太赫茲(zi) QCL，它由工作在210 K的砷化镓和砷化鋁镓（AlGaAs）的數百個(ge) 交替層組成，然而，它仍然需要龐大和昂貴的低溫冷卻器。

在較高的溫度下，電子跨越層間的勢壘，而不是一步一步地級聯穿過結構。麻省理工學院(MIT)電氣工程師胡清說：“超勢壘的電子泄漏是殺手。”因此，胡清和他的同事在AlGaAs勢壘上添加了更多的鋁，希望能更好地限製電子。胡清的團隊還必須防止電子以某種方式相互作用，從(cong) 而導致電子通過AlGaAs勢壘泄漏。

現在，胡清的團隊已經證明，通過更精確地調整它的分層結構（有些層隻有7個(ge) 原子厚），它可以使電子在足夠高的溫度下運行，達到標準緊湊的熱電冷卻器。更重要的是，胡清說，相同的策略應該能讓團隊最終製造室溫太赫茲(zi) 激光器。

室溫太赫茲(zi) 源可以與(yu) 也在室溫下工作的太赫茲(zi) 探測器配對，Miriam Vitiello和其他研究人員正在研發這種探測器。這種配對可能導致像太赫茲(zi) 成像儀(yi) 這樣的技術能夠在沒有活檢的情況下區分皮膚癌和正常組織，或者監視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(zi) 量子級聯激光器(QCL)裝置的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像