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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

量子级联激光器的概念在1971年被提出,但直到1994年才由Faist及其同事首次证明,随后由美国贝尔实验室研制成功。该方法为众多基础实验和应用实验提供了价值,尤其是红外波段。自2001年以来,用于太赫兹发射的量子级联激光器也取得了实质性进展。但是对低温冷却剂(通常是液氦)的需求大大增加了复杂性和成本,并使设备变得更加庞大和不易移动,从而阻碍其被广泛应用。七年前,运行温度达到200K(-73℃)左右,而追求更高温度下运行太赫兹量子级联激光器的进展就停滞于此。

打破依赖低温制冷技术的障碍

达到200K已经算是一项令人印象深刻的壮举了。这个温度刚好低于可以用热电制冷取代低温技术的界限。自2012年以来,温度纪录没有发生变化,这也意味着某种“心理障碍”开始设立,许多场景开始接受太赫兹量子级联激光器必须与低温冷却器一起工作的现实。

如今,ETH团队已经突破了这一障碍。他们在Applied Physics Letters期刊中提出了一种热电冷却的太赫兹量子级联激光器,工作温度提高至210K。此外,所发射的激光足够强,可以用室温探测器进行测量。这意味着整个装置无需低温冷却也能正常工作,进一步增强了该方法在实际应用中的潜力。

Bosco、Franckie及其同事基于两方面的努力消除了“冷却障碍”。首先,他们在量子级联激光器堆栈的设计中使用了最简单的单一结构,每个周期两个量子阱(图d)。这种方法被认为是一种获得更高工作温度的途径,但同时这种双阱设计对半导体几何结构的最小变化也非常敏感。对某一参数的优化会导致另一参数的恶化。由于系统的实验优化不是可行的选择,他们不得不依赖于数值模拟。

团队取得的第二个实质性进展在最近的研究中被证实,他们可以使用一种称为非平衡格林函数模型的方法精确地模拟复杂的实验量子级联激光器。计算必须在强大的计算机集群上进行,其效率足够高,可以为最优设计进行系统地搜索。该小组具备准确预测器件性能并根据精确的规格制造器件的能力,从而实现了一系列在热电制冷可达到的温度范围持续工作的激光器(见图a和b)。而且,现有方法绝不是穷途末路,Faist团队有进一步提高操作温度的想法,初步结果看起来确实很有希望。

填补太赫兹空白隙

太赫兹量子级联激光器能够在无需低温冷却的情况下工作的首次演示,填补了“太赫兹空白隙”。太赫兹空白隙长期存在于成熟的微波和红外辐射技术之间。在没有任何移动部件或循环液体的情况下,ETH物理学家引入的热电冷却太赫兹量子级联激光器更容易突破专业实验室的限制进行应用和维护,从而进一步揭开“太赫兹宝箱”的“盖子”。

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