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太赫兹激光器在室温下发光 距离实用更进一步

2008-06-13 09:33
黯影冰风
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    太赫兹(Terahertz)光束在科学及技术上有许多潜在的应用,诸如生物成像、保全监视及材料科学上。现在这些应用离实现又更进一步了,因为美国及瑞士的研究员利用商用半导体纳米科技,制造出第一台室温同调太赫兹光源。

    太赫兹辐射在电磁光谱中介于微波及远红外之间,波长从约1毫米至0.03 mm。目前为止,能发出太赫兹波的小型半导体激光器只有量子级联激光器(QCLs)。QCL含有许多由量子阱构成的相同层级,加电压时,电子迅速跃迁至量子阱的一个能阶,然后掉到低能阶并放出一个光子,接着同一颗电子被注入新的层级,又发射出另一光子;透过这种方式,一个电子在结构中“拾级而下”时便可发射出数目与层级一样多的光子。

    以往,QCL仅能在低于200K的低温下发出太赫兹辐射。最近,哈佛机械与应用科学系的Federico Capasso与德州A&M大学及苏黎士瑞士联邦工业学院(ETH)的同事制造出的新量子级联激光器装置,可在室温下发出数百纳瓦的太赫兹辐射。在商用热电冷却器可达到的259K下,功率可增加到微瓦等级。此外,将激光器主动区的半导体纳米结构层加以优化,以及增加太赫兹幅射的萃取率,还能进一步将功率提升到数毫瓦。

    这个团队利用“频差产生”(difference-frequency generation, DFG)材料制造量子级联激光器,这类材料在两种不同频率的光照射下,电子发射出的光除了这两种频率外,还有它们的差值。当两种频率都在中红外区时,量子级联激光器可产生5THz的频差。

    利用频差达成的太赫兹光源已行之多年,不过都需要高功率泵浦及大型非线性晶体来产生频差。相形之下,新装置是以电子驱动,过程全发生在毫米级的晶体中,因此具备小巧、携带方便及低耗电的优点。

    太赫兹级辐射能穿透金属之外的大部分物质,因此可用来探测藏匿的武器、爆炸性化学物质或为生物样品造影。研究员目前致力于优化量子阱的设计,来增加发光面积,以便在室温和热电冷却温度下提升其输出功率。(编辑:于占涛)

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