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太赫兹技术逃离超低温
发布时间:2019-08-20 20:39:31 阅读:176

来源:optics.org;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

热电冷却太赫兹量子级联激光器中一个激光脊的示意图
来源:苏黎世联邦理工学院Faist研究团队

    太赫兹辐射有点像一个藏宝箱,它拒绝完全被打开。位于电磁波谱中红外和微波区域之间的太赫兹辐射,具备一系列特质,其应用前景十分广泛。它为了解分子和固体的独特光谱信息提供了一个窗口;它可以穿透非导材料,比如纺织品和生物组织,而且它不会产生电离——因此损伤——不会出现于对被研究对象。这为非侵入性成像和无损质量控制等领域开辟了广阔的应用前景。然而对于各种潜在用途的想法是丰富的,但由于缺乏产生和探测太赫兹辐射的实际技术,真正的实施却倍受阻碍。

    所以,来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)量子电子学研究所(Institute for Quantum Electronics)的Lorenzo Bosco, Martin Franckié和Jérôme Faist满怀兴奋地报道了他们是如何在210k (-63°C)温度下实现完成了太赫兹量子级联激光器。这是迄今为止这类设备所能取得的最高操作温度。更重要的是,这是首次在不需要低温冷却剂的温度条件下演示这种设备的操作。相反,Bosco等人使用的是热电制冷器,它比低温设备更紧凑、更便宜、更容易维护。随着这一实验的进展,他们消除了通往太赫兹各种实际应用道路上的主要障碍。

    应用级联

    量子级联激光器(QCLs)一直都是太赫兹设备的一个自然概念。与许多在可见光到红外频率范围内被广泛用作光源的激光器一样,QCLs也基于半导体材料。但是,与典型的半导体激光器(例如条形码阅读器或激光指示器)相比,QCLs是根据完全不同的基础概念来实现光波的发射。简而言之,它们是围绕着重复堆叠、精确设计的半导体结构(见图,面板c)而构建,其设计完全符合内部电子跃迁的发生。

    QCLs早在1971年就被提出,但直到1994年才由当时在美国贝尔实验室(Bell Laboratories)工作的Faist和他的同事们首次得以演示。该方法已在广泛的实验中证明了它的价值,无论是基础研究还是应用领域,主要是针对红外区域。自2001年开始,用于太赫兹发射的QCLs开发也取得了实质性的进展。然而,对低温制冷剂——通常是液氦——的需求阻碍了该项技术的广泛应用,因为液氦会增加设备的复杂性和成本,而且使设备变得庞大而笨重,完全不易移动。太赫兹QCLs能在更高温度下运行的进展基本上停滞在7年前的水平,当时该设备的运行温度约为200k (-73°C)。

a)将激光器安装在Peltier元件(白色方框)顶部的热电冷激光器盒,允许在195 K到210.5 K之间工作,激光器垂直通过顶盖上的窗口发射。b)安装在激光盒内的激光芯片,与连接在几个激光脊上的细金丝接触。c)单个激光脊示意图;水平线表示层状半导体形成的量子阱结构。山脊(150微米宽)夹在薄薄的铜层之间。d)导电带边缘(白线)因施加的操作偏压而倾斜,电子密度在能量上的分辨率用颜色表示。电偏置驱动电子通过虚线箭头所示的非辐射跃迁。这将把状态泵入细井中,其密度将比宽井高,如绿箭头所示,从而允许太赫兹光子的净激发。
来源:苏黎世联邦理工学院Faist研究团队

    跨越障碍

    达到200k (-73°C)的温度已然是一项令人印象深刻的壮举。然而,这个温度刚好标志着低温技术可以被热电制冷所取代。自2012年以来,这一创纪录的温度始终没有任何突破,这也意味着某种“心理障碍”也开始攀升——许多业内人士开始接受太赫兹QCLs必须始终与低温冷却器一起才能工作。

    而苏黎世联邦理工学院的研究团队现在已经打破了这一障碍。他们在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)上撰文,提出了一种热电制冷的太赫兹QCL,其工作温度只需210k(-63°C)。此外,其发射激光能量足够强大,完全可以用室温探测器进行测量。这就意味着整个装置可以在没有低温冷却的情况下进行工作,这进一步增强了该方法在实际应用中的潜力。

    Bosco, Franckié和他们的同事们成功地消除了“冷却屏障”,原因有两个。第一,他们的设计中使用了最简单的单元结构QCL堆栈,并基于每阶段两个所谓的量子井 (见图,面板d)。这种是公认实现更高操作温度的方法,但是,与此同时,两个量子井的设计对于半导体结构中几何形状的细微变化非常敏感。对于一个参数的性能优化可能会导致另一个参数的性能下降。由于系统实验优化是不可选择的,他们不得不依赖于数值模型。

    这是该研究团队取得的第二个实质性进展。在最近的工作中,他们采用一种名为非平衡格林函数模型的方法(nonequilibrium Green's function model)建立了可以精确模拟复杂实验QCL的设备。所有的计算必须在功能强大的计算机集群上进行,因为其高效的表现,还可以系统地进行优化设计搜索。研究团队能够精准地预测设备属性——并根据精确参数进行设备制造——利用这样的工具,他们可以实现一系列激光器在热电冷却可达到的温度条件下完成持续的工作。

    填补太赫兹间隙

    在没有低温冷却的情况下首次对太赫兹QCL进行演示操作,是填补长期存在于微波和红外辐射成熟技术之间的“太赫兹间隙”的重要一步。因为没有繁杂的移动部件或循环冷却液的参与,苏黎世联邦理工学院的物理学家推出的这种热电制冷太赫兹 QCLs可以更容易地在专业实验室之外进行使用和维护,从而进一步揭开“太赫兹宝藏箱”的盖子。

 
 

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