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发射太赫兹光束的新型激光器可以推动医学成像和违禁品检测

安全检查辐射成像 太赫兹 医学成像 激光器
发布:2020-11-04 16:51:47    

太赫兹激光器位于小型方形冷却器上方。激光可以实现新型便携式医疗诊断和爆炸物探测器。

紧凑的,基于芯片的激光器已经征服了从紫外光到红外光的大部分电磁频谱,从而使从数字通信和条形码读取器到激光笔和打印机的技术成为可能。但是光谱的一个关键区域仍然没有被驯服:太赫兹频带,位于红外光和微波之间。工程师渴望获得太赫兹辐射源,太赫兹辐射可以穿透不透明的物体并探测内部的化学指纹。但是紧凑型太赫兹激光器只能在超低温下工作,这将它们限制在实验室环境中。

在《自然光子学》(Nature Photonics)的一期中,研究人员报告说,在工作于250 K或–23°C的芯片上创建了一个米粒大小的太赫兹激光器,该波长范围是饼干大小的插入式冷却器。“这是一项伟大的成就,”意大利国家研究委员会纳米科学研究所的凝聚态物理学家Miriam Vitiello说。她补充说:“提高太赫兹激光器的温度是我们的长期目标。” ,“现在有很多应用可以实现”从医学成像到机场爆炸物检测。

当电子落入半导体合金内的电子空位时,基于芯片的标准激光器会产生光子,其组成决定了颜色。例如,氮化镓发出蓝光,而砷化镓发出红色。但是,没有半导体合金会发射太赫兹范围内的光子。(“ Terahertz”是指光的频率:每秒数万亿个周期。)1994年,AT&T贝尔实验室的研究人员制造了一种新型激光器,其中半导体的结构,不仅仅是其化学性质,决定了波长。它称为量子级联激光器(QCL),其中包含数百层厚度精确的半导体。注入到结构中的电子沿着数百个能量阶跃级联,在每一步都释放出一个光子。

这些设备需要冷却到50K,但是去年,由苏黎世联邦理工学院的物理学家JérômeFaist领导的研究人员推出了太赫兹QCL,它由工作在210 K的砷化镓和砷化铝镓(AlGaAs)的数百个交替层组成。但是,它仍然需要笨重且昂贵的低温冷却器。在较高的温度下,电子会越过层之间的势垒,而不是一次跨接整个结构。麻省理工学院电气工程师胡庆说:“阻挡电子泄漏是杀手。” 因此,胡和他的同事们在AlGaAs势垒中添加了更多的铝,以期更好地限制电子。胡的团队还必须防止电子相互作用,从而导致电子通过AlGaAs势垒泄漏。

现在,胡的团队已经表明,通过更精确地调整其分层结构(某些层仅七个原子厚),它可以使电子在足够高的温度下表现,而温度足以达到标准紧凑型热电冷却器所能达到的温度。胡说,更重要的是,相同的策略应该使团队最终能够制造室温太赫兹激光器。

室温太赫兹源可以与也在室温下工作的太赫兹探测器配对,Vitiello和其他研究人员正在开发这种探测器。这种婚姻可能导致太赫兹成像仪等技术能够在不进行活组织检查的情况下将皮肤癌与正常组织区分开来,或者看着飞机乘客和货物中隐藏的爆炸物,非法药物甚至假药。Faist说:“我们一直希望如此。”

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