美國和加拿大的科學(xué)家開發(fā)了一種便攜式設(shè)備，可以在實驗室條件之外產(chǎn)生強大的太赫茲輻射。這種激光將有助于診斷醫(yī)院的皮膚癌，并在機場發(fā)現(xiàn)隱藏的爆炸物。該進展在《自然光子學(xué)》雜志上有描述。
研發(fā)的可以產(chǎn)生太赫茲激光的調(diào)諧量子級聯(lián)激光器
直到今天，產(chǎn)生足夠功率的太赫茲激光可以實現(xiàn)實時的影像和溫度在低于200K或更低的溫度下的快速的光譜測量。這些溫度只能通過設(shè)備整體上的溫度下降來實現(xiàn)，從而限制了該技術(shù)只適合在實驗室使用。在近日出版的頂刊《Nature》中，來自MIT的杰出的電子工程學(xué)教授和計算科學(xué)教授 Qing Hu 及其同事報道了他們的量子級聯(lián)激光器，可以實現(xiàn)在為溫度高于250K時進行工作，這意味著只需要一個可移動的冷卻系統(tǒng)就可以滿足。
太赫茲量子級聯(lián)激光，嵌入微型芯片 半導(dǎo)體激光器件，首次在2002年被發(fā)明，但直到該技術(shù)可以適應(yīng)在高于200K時進行工作被證明是非常困難的，因為在這一領(lǐng)域由于物理的原因阻止了這一目標(biāo)的實現(xiàn)，Hu說到。
在一個比較高的溫度進行工作，我們可以最終將這一技術(shù)應(yīng)用在緊湊且可移動的系統(tǒng)中，并在這一領(lǐng)域取得突破，而在實驗室外進行應(yīng)用，Hu說，這將使得可移動的太赫茲影像和光譜系統(tǒng)可以立即在很寬廣的范圍得到應(yīng)用，諸如醫(yī)療、生物化學(xué)、安全以及其他領(lǐng)域。
Hu開始研究太赫茲頻率——一種電磁（波）譜在微波和紅外范圍之間的波段，可以追溯到1991年。
這一研究花了我們11年的時間，并且三代學(xué)生的持續(xù)努力，使得我們的太赫茲級聯(lián)激光器在2002年問世，他說到，從此以后，最高的極限工作溫度成為限制我們使用太赫茲激光的最大障礙，基本維持在室溫以下。在本文中報道的最高溫度為250K，被認(rèn)為是在早先210 K基礎(chǔ)上前進了一大步，這一工作溫度為210 K的結(jié)果在2019年獲得的，這一結(jié)果是在2012年取得的溫度為200K 的基礎(chǔ)上前進的，這一進步花了7年。
這一激光，測量長度只有幾毫米何厚度比人的頭發(fā)還要細(xì)的目標(biāo)。
我們理解，在電子泄露的障礙之上對這一激光器來說就是一大殺手，屬于量子阱結(jié)構(gòu)且精細(xì)定制的工程和障礙。在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)，電子像瀑布一樣下降而形成類似臺階的結(jié)構(gòu)，在每一步的臺階發(fā)射出一個光粒子或光子。
在期刊《Nature Photonics》中曾經(jīng)描述了一個非常重要的革新，就是在激光倍增障礙的高度以阻止電子的泄露，這是一種用以在更高溫度實現(xiàn)增加的現(xiàn)象。我們理解，在電子泄露的障礙之上，導(dǎo)致系統(tǒng)出問題，如果不能采用低溫恒溫器進行冷卻的話，Hu說到，比較流行的觀點就是散射，同時伴隨著高的障礙是有損傷的，因此高的障礙需要避免。
研究團隊發(fā)展了正確的參數(shù)用于能帶結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)用于高的障礙和新的設(shè)計。
研究團隊最大的貢獻在于，量子裝置的模擬和制造上，使得在THz 光子的挑戰(zhàn)上所面臨的問題取得了非常重要的進展。
在一個醫(yī)學(xué)設(shè)置中，新的可移動激光系統(tǒng)，包括一個緊湊型的相機和探測器，可以在任何有插座的地方進行使用，可以實現(xiàn)常規(guī)皮膚的掃描的實時影像或在手術(shù)中進行皮膚癌的練習(xí)，這些癌細(xì)胞在太赫茲激光中表現(xiàn)得非常明顯，這是因為他們含有高水和血的濃度比常規(guī)得細(xì)胞要高。
這一技術(shù)同時可以應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域中，只要是需要探測異物的場合均可以使用，且探測的產(chǎn)品需要確保安全和質(zhì)量的就可以。
探測氣體、藥物和爆炸物等成為使用太赫茲激光中比較復(fù)雜的事情。例如，化合物，如氫氧化物，是一種臭氧破壞劑，在太赫茲激光頻率下具有特定的光譜指紋信息，同時對于藥物，包括海洛因以及爆炸物等，如TNT。
利用室溫?zé)後岆娞綔y器和TH在相機進行TEC冷卻的THZ QCL的測量裝置
利用太赫茲激光，我們不僅可以觀察光學(xué)不透明材料 （黑體材料），還可以識別物質(zhì)。Hu說到。他同時還說：在不需要冷卻系統(tǒng)的前提下也可以產(chǎn)生的太赫茲激光，從而可以清晰的觀察到目標(biāo)。
太赫茲激光位于一個小的正方形的冷卻裝置中，這一激光可以便攜的用于醫(yī)療診斷和爆炸物的探測
注：太赫茲(Tera Hertz，THz)是波動頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。1THz=1x10^12Hz，通常用于表示電磁波頻率。
來自：High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5 , www.nature.com/articles/s41566-020-00707-5
https://www.sciencemag.org/news/2020/11/new-lasers-fire-terahertz-beams-could-propel-medical-imaging-and-contraband-detection
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