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太赫兹量子级联激光器取得七年来“防寒”能力的最大提升

2019-07-25 09:50
来源: 微迷网

太赫兹(THz)辐射就像一个宝箱,一直以来未被人类完全打开。太赫兹辐射是位于红外和微波区域之间的电磁频谱,具有一系列理想的特性,其应用非常值得期待。太赫兹辐射为获得分子和固体的独特光谱信息打开了一扇“窗户”,它可以穿透纺织物和生物组织等非导电材料,同时不会发生电离,因此不会对被研究物体造成损伤。这一优势为无创成像和无损质量控制等应用开辟了诱人的前景。但是,尽管人们对太赫兹辐射潜在用途的想法种种,但因为缺乏产生和探测太赫兹辐射的实用技术,这些想法变得难以实施。

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热电冷却太赫兹量子级联激光器中单个激光脊形条示意图

令人兴奋的是,苏黎世ETH量子电子学研究所Jerome Faist小组的Lorenzo Bosco、Martin Franckie及其同事们实现了一种能在210K(-63℃)温度下工作的太赫兹量子级联激光器,达到了这种装置迄今为止的最高工作温度。更重要的是,这次操作在不需要低温冷却剂的温度范围内演示,乃属首次。Bosco等人采用热电制冷方式,相比制冷设备更紧凑、更便宜、更易于维护。这一进展扫除了通往各种实际应用道路上的主要障碍。

面向实际应用的量子级联激光器

长期以来,量子级联激光器(QCL)被认为是太赫兹器件的自然概念。像众多广泛用于可见光到红外波段的激光器一样,量子级联激光器也是基于半导体材料的。但是,与条形码阅读器或激光指示器中使用的典型半导体激光器相比,量子级联激光器的工作原理与实现光发射的原理完全不同。简言之,量子级联激光器是由精确设计的半导体结构的重复堆叠而构建的(见图c),其设计可以实现适当的电子跃迁(见图d)。

图a:安装在珀耳帖元件(白色方形)顶部的激光器的热电冷却激光盒,允许在195K~210.5K之间操作,激光通过顶盖上的窗口垂直发射。

图b:安装在激光盒中的激光芯片,与连接在多个激光脊形条顶部的细金丝接触。

图c:单个激光脊形条的示意图,水平线显示了分层半导体形成的量子阱结构。脊形条(宽度为150微米)夹在薄铜层之间,形成“三明治”结构。

图d:在导带边缘(白线)加压,电子密度通过不同颜色显示的能量进行解析。偏压驱动电子通过虚线箭头指示的非辐射跃迁。这将泵浦薄阱中的能态,比绿色箭头指示的较宽阱能态更为密集,从而允许太赫兹光子的净受激发射。

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