太赫兹 (THz) 辐射为非侵入性成像和非破坏性质量控制以及其他应用开辟了迷人的前景。但是,尽管不乏潜在用途的想法,但由于缺乏产生和检测太赫兹辐射的实用技术,它们的实施受到了阻碍。物理系 Jérôme Faist 小组的 Lorenzo Bosco、Martin Franckié 和同事报告了在 210 K (–63 °C) 温度下运行的太赫兹量子级联激光器 (QCL) 的创建。这是迄今为止此类设备达到的最高工作温度。更重要的是,这是第一次在不需要低温冷却剂的温度范围内证明这种装置的操作。相反,他们使用了热电冷却器,它消除了通往各种实际应用的主要障碍。
热电冷却的太赫兹 QCL。 a) 热电冷却激光盒,激光安装在 Peltier 元件(白色正方形)顶部,允许在 195 K 和 210.5 K 之间操作,激光通过顶盖的窗口垂直发射。 b) 安装在激光盒中的激光芯片与焊接在几个激光脊顶部的细金线接触。 c) 一个激光脊示意图;水平线显示了由层状半导体形成的量子阱结构。脊(150 µm 宽)夹在铜薄层之间。 d) 导带边缘(白线)因施加的操作偏压而倾斜,电子密度以彩色显示的能量解析。电偏压驱动电子通过虚线箭头所示的非辐射跃迁。这泵送了薄井中的状态,该状态比绿色箭头所示的更宽井中的状态更加人口稠密,从而允许太赫兹光子的净受激发射。Credit:苏黎世联邦理工学院/D-PHYS,Faist 小组
QCL 长期以来一直是太赫兹器件的自然概念。与许多广泛用作可见光至红外频率区域光源的激光器一样,QCL 基于半导体材料。但与条形码阅读器或激光指示器等使用的典型半导体激光器相比,QCL 根据完全不同的概念运行以实现发光。简而言之,它们是围绕重复堆叠的精确设计的半导体结构(参见图 c 面板)构建的,这些半导体结构的设计使得在其中发生适当的电子跃迁(面板 d)。
QCL 于 1971 年提出,但直到 1994 年才由 Faist 及其同事首次展示,当时他们在美国的贝尔实验室工作。该方法已在一系列实验中证明了其价值,包括基础实验和应用实验,主要是在红外区域。从 2001 年开始,用于太赫兹发射的 QCL 的开发也取得了重大进展。但由于需要低温冷却剂(通常是液氦)而阻碍了广泛使用,这增加了相当大的复杂性和成本,并使设备变得更大且移动性更差。七年前,当设备在 200 K (–73 °C) 左右的温度下运行时,THz QCL 在更高温度下运行的进展基本上停滞不前。
达到 200 K 是一项令人印象深刻的壮举。然而,这个温度刚好低于低温技术可以用热电冷却代替的标准。创纪录的温度自 2012 年以来一直没有变化,这也意味着某种“心理障碍”开始上升——该领域的许多人开始接受太赫兹 QCL 必须始终与低温冷却器一起运行。 ETH 团队现在已经打破了这一障碍。在 Applied Physics Letters (doi: 10.1063/1.5110305) 中写道,他们提出了一种热电冷却的太赫兹 QCL,工作温度高达 210 K。此外,发射的激光足够强,可以用室温探测器测量.这意味着整个装置在没有低温冷却的情况下工作,进一步增强了该方法在实际应用中的潜力。
由于两项相关成就,Bosco、Frankié 和他们的同事设法消除了“冷却屏障”。首先,他们在设计 QCL 堆栈时使用了最简单的单元结构,基于每个周期两个所谓的量子阱(见图 d)。众所周知,这种方法是实现更高工作温度的途径,但同时这种双阱设计对半导体结构几何形状的最小变化也极为敏感。相对于一个参数优化性能可能导致相对于另一个参数的退化。由于系统的实验优化不是一个可行的选择,他们不得不依赖数值建模。
这是该小组取得实质性进展的第二个领域。在最近的工作中,他们已经确定他们可以使用称为非平衡格林函数模型的方法准确模拟复杂的实验 QCL 设备。计算必须在功能强大的计算机集群上进行,但它们足够高效,可以用来系统地搜索最佳设计。该小组准确预测设备特性并根据精确规格制造设备的能力为他们提供了实现一系列激光器的工具,这些激光器在热电冷却可达到的温度下始终如一地工作(见图,面板 a 和乙)。这种方法绝不会用尽。 Faist 小组提出了进一步提高运行温度的想法,初步结果看起来很有希望。
首次展示在没有低温冷却的情况下运行的太赫兹量子级联激光器是朝着填补微波和红外辐射成熟技术之间长期存在的“太赫兹差距”迈出的重要一步。
由于不涉及移动部件或循环液体,ETH 物理学家现在引入的那种热电冷却太赫兹 QCL 可以更容易地在专业实验室范围之外应用和维护——进一步掀开“太赫兹宝箱”的盖子。