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太赫兹激光器成像技术未来不仅能用于安检还能监测癌症

太赫兹 太赫兹 量子级联激光器
发布:2020-11-27 11:15:40     来源:Tom.com

自人类发现电磁波以来,已经开发出了各种各样的应用方式,从手机扫码到打印技术,涵盖了从红外线到紫外线的大部分电磁波谱。但是,在这之外,还有一个关键区域至今未能得到应用——太赫兹波段。

太赫兹(Tera Hertz,THz)是波动频率单位之一,又称为太赫,或太拉赫兹。1THz=1x10^12Hz,通常用于表示电磁波频率。而太赫兹波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000~30μm)范围内的电磁波,在长波段与毫米波相重合,在短波段与红外光相重合,是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区,称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”

太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体,有机体和生物大分子等物质的特征谱;利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。该技术技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。

但遗憾的是,目前这项技术并没有落地,产生足以进行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射需要远低于-73.15℃或更低的温度。这些温度只能通过体积庞大的设备来实现,这些设备限制了该技术在实验室环境外的应用。

不过近日,麻省理工学院和滑铁卢大学的研究人员开发了一种高功率、便携式的量子级联激光器,可以在实验室外产生太赫兹辐射。

该研究成果以发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上。

主导这项研究的麻省理工学院电气工程和计算机科学教授胡庆(音译)和其团队表示,他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达-23.15℃的环境下工作,这意味着只需一个小型便携式冷却器即可产生太赫兹辐射。

太赫兹量子级联激光器是一种嵌入芯片的微型半导体激光器,最早由意大利和英国研究人员发明于2002年。但是,要将其工作环境温度提高到-73.15℃以上非常困难。直到2009年,研究人员才将温度提高到-63.15℃。

这项研究再次将温度提升。该团队通过更精确地调整激光器的分层结构(难度极大,有些层只有7个原子厚),来到了零下20度摄氏度左右,基本具备了应用的可能性。

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米里亚姆·维蒂耶洛(Miriam Vitiello)评价道:“这是一项伟大的成就,提高太赫兹激光的(工作)温度一直是学界的长期目标”。

研究人员展示的新型激光器原型,下部为方形冷却器(图源:MIT)

这些激光器只有几毫米长,量子阱结构,带有精心定制的阱和屏障。在这个结构中,电子沿着一种阶梯“级联”,每一步都发射出一个轻粒子或光子。

除了将工作温度提高,这项研究的创新之二在于将激光器内的屏障高度增加了一倍,以防止电子泄漏,这种现象在高温下往往会增加。通常来说,势垒电子泄露会导致系统崩溃。

因此,该团队在激光器中的铝镓砷阻挡层中加入了更多的铝,希望能更好地限制电子。团队还必须防止电子以某种方式相互作用,导致它们通过铝镓砷屏障泄漏。

这项研究成果可以与太赫兹探测器协同工作,可能会推动太赫兹成像仪等技术的出现,这些技术能够在不进行活检的情况下区分皮肤癌和正常组织,或者探测货物中隐藏的爆炸物、非法药物和其他危险物品。

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