2019-07-10 23:15:01
太赫兹技术逃脱了寒冷

太赫兹(太赫兹)辐射有点像一个宝箱,抵抗被完全打开。 THz辐射位于红外和微波区域之间的电磁波谱中,结合了一系列理想的特性,可满足应用需求。它提供了一个窗口,可以获得有关分子和固体的独特光谱信息,它可以穿透非导电材料,如纺织品和生物组织,它可以在不研究的情况下进行电离 - 从而破坏 - 研究对象或主体。这为非侵入性成像和非破坏性质量控制以及其他应用开辟了有趣的前景。但是,虽然潜在用途的想法并不缺乏,但由于缺乏产生和检测太赫兹辐射的实用技术,它们的实施受到阻碍。

因此,来自苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的JérômeFaist团队的Lorenzo Bosco,MartinFranckié及其同事的兴奋报告称,他们实现了一种工作温度为210 K(-63°C)的THz量子级联激光器。这是此类器件迄今为止达到的最高工作温度。更重要的是,这是第一次在不需要低温冷却剂的温度范围内证明这种装置的操作。相反,博斯科等人。使用热电冷却器,比低温设备更紧凑,更便宜,更易于维护。随着这一进步,他们消除了通向各种实际应用的主要障碍。

面向应用程序的级联

量子级联激光器(QCL)早已被确立为THz器件的自然概念。像许多激光器一样,它们被广泛用作可见光 - 红外频率区域的光源,QCL基于半导体材料。但是与例如在条形码读取器或激光指示器中使用的典型半导体激光器相比,QCL根据根本不同的概念操作以实现光发射。简而言之,它们围绕精确设计的半导体结构的重复堆叠构建(参见图,面板c),其设计使得在它们中发生适当的电子过渡(面板d)。

QCLs于1971年提出,但仅在1994年由Faist及其同事首次展示,然后在贝尔实验室(美国)工作。该方法已经证明了它在广泛的实验中的价值,包括基础和应用,主要是在红外区域。从2001年开始,用于太赫兹发射的QCL的开发也取得了实质性的进步。尽管需要低温冷却剂 - 通常是液氦 - 这增加了大量的复杂性和成本,并使设备变大且移动性较差,但广泛使用受到阻碍。 THz QCL在较高温度下运行的进展基本上停留在七年前,当时设备的运行速度达到200 K(-73°C)左右。

障碍越过

达到200 K是一项令人印象深刻的壮举。然而,该温度恰好低于可以用热电冷却代替低温技术的标记。记录温度自2012年以来没有变化也意味着某种“心理障碍”开始上升 - 许多人在现场开始接受THz QCL总是必须与低温冷却器一起运行。

ETH团队现在已经打破了这一障碍。在Applied Physics Letters中,他们展示了一种热电冷却的THz QCL,工作温度高达210°K。此外,发射的激光足够强,可以用室温探测器测量。这意味着整个设置在没有低温冷却的情况下工作,进一步增强了实际应用方法的潜力。

由于两项相关成就,Bosco,Franckié及其同事设法消除了“冷却障碍”。首先,他们在QCL堆栈的设计中使用了最简单的单位结构,基于每个周期的两个所谓的量子阱(参见图,面板d)。已知这种方法是通向更高操作温度的途径,但同时这种双阱设计对半导体结构的几何形状的最小变化也非常敏感。相对于一个参数优化性能可导致相对于另一个参数的降级。由于系统的实验优化不是一个可行的选择,他们不得不依赖于数值模拟。

这是该集团取得实质性进展的第二个领域。在最近的工作中,他们已经确定他们可以使用称为非平衡格林函数模型的方法准确地模拟复杂的实验QCL设备。计算必须在功能强大的计算机集群上进行,但它们足够高效,可以用来系统地搜索最佳设计。该集团能够准确预测设备的特性,并根据精确的规格制造设备,为他们提供了实现一系列激光器的工具,这些激光器始终在热电冷却所能达到的温度下工作(见图,a和b)。这种方法并没有用尽。 Faist小组存在进一步推高运行温度的想法,初步结果看起来很有希望。

填补THz差距

首次演示的太赫兹量子级联激光器在没有低温冷却的情况下工作,是填补“THz间隙”的重要一步,这种间隙长期存在于微波和红外辐射的成熟技术之间。由于没有活动部件或循环液体,现在由ETH物理学家引入的热电冷却THz QCL可以更容易地应用和维护在专业实验室的范围之外 - 进一步提升“THZ宝箱”的盖子。

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