熱電冷卻太赫茲量子級聯激光器中單個激光脊形條示意圖
令人興奮的是，蘇黎世ETH量子電子學研究所Jerome Faist小組的Lorenzo Bosco、Martin Franckie及其同事們實現了一種能在210K（－63℃）溫度下工作的太赫茲量子級聯激光器，達到了這種裝置迄今為止的最高工作溫度。更重要的是，這次操作在不需要低溫冷卻劑的溫度范圍內演示，乃屬首次。Bosco等人采用熱電制冷方式，相比制冷設備更緊湊、更便宜、更易于維護。這一進展掃除了通往各種實際應用道路上的主要障礙。
面向實際應用的量子級聯激光器
長期以來，量子級聯激光器（QCL）被認為是太赫茲器件的自然概念。像眾多廣泛用于可見光到紅外波段的激光器一樣，量子級聯激光器也是基于半導體材料的。但是，與條形碼閱讀器或激光指示器中使用的典型半導體激光器相比，量子級聯激光器的工作原理與實現光發射的原理完全不同。簡言之，量子級聯激光器是由精確設計的半導體結構的重復堆疊而構建的（見圖c），其設計可以實現適當的電子躍遷（見圖d）。
圖a：安裝在珀耳帖元件（白色方形）頂部的激光器的熱電冷卻激光盒，允許在195K～210.5K之間操作，激光通過頂蓋上的窗口垂直發射。
圖b：安裝在激光盒中的激光芯片，與連接在多個激光脊形條頂部的細金絲接觸。
圖c：單個激光脊形條的示意圖，水平線顯示了分層半導體形成的量子阱結構。脊形條（寬度為150微米）夾在薄銅層之間，形成“三明治”結構。
圖d：在導帶邊緣（白線）加壓，電子密度通過不同顏色顯示的能量進行解析。偏壓驅動電子通過虛線箭頭指示的非輻射躍遷。這將泵浦薄阱中的能態，比綠色箭頭指示的較寬阱能態更為密集，從而允許太赫茲光子的凈受激發射。
量子級聯激光器的概念在1971年被提出，但直到1994年才由Faist及其同事首次證明，隨后由美國貝爾實驗室研制成功。該方法為眾多基礎實驗和應用實驗提供了價值，尤其是紅外波段。自2001年以來，用于太赫茲發射的量子級聯激光器也取得了實質性進展。但是對低溫冷卻劑（通常是液氦）的需求大大增加了復雜性和成本，并使設備變得更加龐大和不易移動，從而阻礙其被廣泛應用。七年前，運行溫度達到200K（－73℃）左右，而追求更高溫度下運行太赫茲量子級聯激光器的進展就停滯于此。
打破依賴低溫制冷技術的障礙
達到200K已經算是一項令人印象深刻的壯舉了。這個溫度剛好低于可以用熱電制冷取代低溫技術的界限。自2012年以來，溫度紀錄沒有發生變化，這也意味著某種“心理障礙”開始設立，許多場景開始接受太赫茲量子級聯激光器必須與低溫冷卻器一起工作的現實。
如今，ETH團隊已經突破了這一障礙。他們在Applied Physics Letters期刊中提出了一種熱電冷卻的太赫茲量子級聯激光器，工作溫度提高至210K。此外，所發射的激光足夠強，可以用室溫探測器進行測量。這意味著整個裝置無需低溫冷卻也能正常工作，進一步增強了該方法在實際應用中的潛力。
Bosco、Franckie及其同事基于兩方面的努力消除了“冷卻障礙”。首先，他們在量子級聯激光器堆棧的設計中使用了最簡單的單一結構，每個周期兩個量子阱（圖d）。這種方法被認為是一種獲得更高工作溫度的途徑，但同時這種雙阱設計對半導體幾何結構的最小變化也非常敏感。對某一參數的優化會導致另一參數的惡化。由于系統的實驗優化不是可行的選擇，他們不得不依賴于數值模擬。
團隊取得的第二個實質性進展在最近的研究中被證實，他們可以使用一種稱為非平衡格林函數模型的方法精確地模擬復雜的實驗量子級聯激光器。計算必須在強大的計算機集群上進行，其效率足夠高，可以為最優設計進行系統地搜索。該小組具備準確預測器件性能并根據精確的規格制造器件的能力，從而實現了一系列在熱電制冷可達到的溫度范圍持續工作的激光器（見圖a和b）。而且，現有方法絕不是窮途末路，Faist團隊有進一步提高操作溫度的想法，初步結果看起來確實很有希望。
填補太赫茲空白隙
太赫茲量子級聯激光器能夠在無需低溫冷卻的情況下工作的首次演示，填補了“太赫茲空白隙”。太赫茲空白隙長期存在于成熟的微波和紅外輻射技術之間。在沒有任何移動部件或循環液體的情況下，ETH物理學家引入的熱電冷卻太赫茲量子級聯激光器更容易突破專業實驗室的限制進行應用和維護，從而進一步揭開“太赫茲寶箱”的“蓋子”。
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