来源：optics.org; 中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

    美国麻省理工大学研发的基于芯片级激光器和太赫兹频率梳有望应用于快速探测爆炸物。

    美国麻省理工大学电子研究试验室的研究人员研发了一种基于量子级联激光器(QCL)的新型太赫兹光谱探测系统作为太赫兹辐射光源，其尺寸仅为计算机芯片大小。最近一期的《光学》（Optica）杂志对此也进行了描述。

    作为光谱仪，该系统紧凑小巧，能在100μs内生成物质的光谱信号，例如应用于爆炸物的探测，就具有速度快、成本低、易携带的特点。

具有艺术印象的增益介质生成太赫兹频率梳

    该系统的高效性还体现在其发射出的太赫兹辐射位于“频率梳”内，频率梳就是一系列均匀分布、高效有用的频率。研究人员表示，这一设计是一项重大突破，因为传统的太赫兹光谱仪所需辐射源一般都十分笨重，体积如行李箱大小，分析单一样本时间也比较长，通常需要15-30分钟。“但有了这样的设计后，我们可以回答这样的问题，‘什么是量子级联激光器频率梳的真正应用？’”麻省理工电子工程和计算机科学专业研究生，同时也是Optica该论文的第一作者杨洋（音译）表示。“太赫兹是一块非常独特的区域，光谱分析可能是最好的应用。基于量子级联激光器的频率梳是该领域光谱分析的有力选择。”

    不同物质吸收太赫兹辐射频率的程度各有不同，使其具有个自不同的太赫兹吸收光谱特性表。但是在以前，太赫兹光谱仪需要分别测量物质对于各个频率的反映，这一过程就包括了对于光谱仪器设备的机械调试，整体方法就变得复杂而耗时。而与之不同的是，频率梳中的频率是均匀分布的，因此通过少量的测量，而不是机械调试，以数学的方式重建物质的吸收光谱表，是完全有可能实现的。

    均匀分布

    设计的关键就是频率梳中频率的均匀分布。量子级联激光器将使电磁辐射在增益介质里来回弹射，直至辐射能量聚集外溢。发散辐射的多个频率取决于增益介质的长度。当然，这些频率也取决于用以描述电磁辐射通过速度的介质折射率；不同频率的折射率不同，因此频率梳中频率间隙也各有不同。

    为了让激光器中频率分布均匀，麻省理工大学的研究人员采用了一种造型独特的增益介质，它的两边规律、对称的缩进，改变了介质的折射率，但将发射频率的分布恢复统一。早在2014年，杨洋的团队，以及他的导师，电子工程和计算机科学学院的胡清（音译）教授还有当时论文的第一作者David Burghoff，就在《自然光学》(Nature Photonics)杂志中首次对他们的设计作出过报告。尽管他们最初的原型证明了设计的可行性，但是事实上，它却释放了两个围绕不同中心频率的频率梳，使其进行光谱测试的适合性降低。但在他们最新的研究中，麻省理工大学团队与荷兰太空研究所（Netherlands Institute for Space Research）的高建荣（音译）团队合作，并联合桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的John Reno团队，共同研发了可以发射单一且不间断的频率梳。与先前的增益介质相同，新介质是由数以百计的砷化镓与铝砷化镓层交替叠加构成。

    概念证明

    研究人员首先采用他们的系统来测量砷化镓校准器这一光学仪器的光谱信号，理论上其光谱特性可以预先计算得出，为比对提供清晰的标准。新系统的测量数据与校准器太赫兹传送属性完全吻合，这意味着它可以应用于化学物质的检测。

    尽管太赫兹量子级联激光器只有芯片大小，但它们需要超低温冷却，因此操作环境必须能达到冷冻条件，这就非常复杂、不便。因此，胡教授的团队正在就增温量子级联激光器的设计不断探索，但在本期的论文中，研究人员也谈到，采用太赫兹辐射短冲能够对目标检测物提取可靠光谱信号。“我们以前消耗的是10瓦特（watt），但我的激光器调整到时间的1%，明显的减少冷冻限制。”杨洋表示，“因此我们的冷却系统更加紧凑、小巧。”

    美国普林斯顿大学电子工程的副教授Gerard Wysocki评价，“这是一次突破，因为在太赫兹领域还没有类似的光源，胡清是首位真正设计太赫兹频率梳的科学家。频率梳是半导体器件、简洁紧凑，有望完成紧凑、宽频太赫兹光谱分析仪的创造。

    论文最后的关键技术结论写到，“我们采用双太赫兹量子级联激光器梳，首次研发了多级外差振荡器光谱仪。 在250 GHz光谱范围内，采用低温探测器，平均信噪比达到34dB；采用常温探测器，平均信噪比达到24dB；耗时都仅为100μs。