大功率便携式激光系统填补了太赫兹空白

麻省理工学院的胡青和他的同事们开发出了一种在250K下工作的太赫兹量子级联激光器（QCL）。这种紧凑型激光器只需要一个手掌大小的热电冷却器，这可以扩大太赫兹光谱在医学成像、安全筛查和质量检查方面的应用。相关工作发表在《Nature Photonics》上。

图1. 此处显示的太赫兹量子级联激光器和热电冷却器是Qing Hu及其同事开发的便携式激光器所需的所有设备。这种紧凑的设计开辟了潜在的应用，例如药物的安全扫描和皮肤癌筛查。 （来源：MIT。）

被困在一系列势阱中的电子在没有低温冷却的情况下难以发射出太赫兹频率的光。

许多非法药物，包括甲基苯丙胺和海洛因，在太赫兹频率下具有独特的光谱特征（事实上，大多数分子在这个范围内都有振动和旋转模式）。此外，太赫兹可穿透很多不透明的容器，并进行成像，因此便携式太赫兹光谱仪可以让安全人员扫描非法物质。但长期以来，研究人员在产生和探测1THz到10 THz光方面一直存在困难。半导体激光器通过从导带到价带的电子跃迁产生光，但这些跃迁频率一般大于10THz，而且带隙较小的材料对温度敏感，难以加工。

直接声子方案

量子级联激光器（QCL）通过周期性的半导体层产生较低的能量跃迁。这些层形成势阱，将导带分成在红外或太赫兹范围内具有能隙的子带。但太赫兹QCL的最高工作温度为210k，这就需要庞大的低温冷却设备。

为了提高最高工作温度，Hu和他的小组在对激光器中的量子阱尺寸进行研究。先前的研究发现，阱间较高的势垒降低了太赫兹QCL的工作温度，因此从那时起，研究人员假设低的操作温度是由于界面粗糙度增加散射而不可避免的结果，而界面粗糙度随势垒高度的增加而增大。

2015年，Hu和现任以色列巴伊兰大学（Bar Ilan University）的前博士后Asaf Albo提出，在高温下，电子会越过量子阱之间的势垒，因此需要更高的势垒才能获得更好的性能。但在随后的更高势垒的实验中，他们注意到高能态的有害引入，其导致电子弛豫而不发光。

在他们的新研究中，为了避免电子跃迁到非激光状态，Hu和他的同事使用数值能带结构计算来优化具有高势垒的器件尺寸。他们发现窄量子阱增加了激光和非激光能级之间的能量分离。调整势垒的厚度提供了诸如减少势垒跳跃的优势，然而也存在如降低了光学增益的劣势。

在加拿大滑铁卢大学的Zbig Wasilewski小组的合作下，研究人员完成了他们的几项设计。他们最好的4 THz激光器产生的功率足以在紧凑便携式热电制冷器达到的温度下进行实时成像，随着未来的设计调整和优化，应该可以实现在室温下运行。

量子级联效应

这里提出的QCL的最简单形式如图2(a) 所示。第n组量子阱中的电子从较高的激光能级u_n开始。当电子下降到较低的激光水平l_n时发射光子。然后电子散射到基态，即注入能级，仍处于导带中。施加的电势使模块产生了能量偏移，因此电子从注入器能级隧穿到下一模块的最高激光能级u_n + 1。这种级联效应是QCL高功率的原因。

图2. 能量级联产生激光。 （a）量子级联激光器中的电子沿着黑色箭头从一个模块到另一个模块。 在每个模块n内，处于较高激光水平的电子u_n 移动至较低激光水平l_n，并发射一个光子。 然后，它迅速分散进入基态并进入下一个模块。 通过正确的设计，电子不会进入高能 p_(i,n) 态，p_(1,n)和 p_(2,n) 能态没有可用的光跃迁。 （b）每个模块包括一对由注入势垒和辐射势垒限定的量子阱（黑线）。 阱的尺寸决定了能量状态的概率密度函数（彩色线）分布方式。 空间重叠度高的层次之间比低重叠度的更容易发生跃迁。（来源：改编自原文）

当u_n和l_n的能量接近时（例如在太赫兹QCL中，它们具有约16 meV的间隙以产生4 THz光子），很难维持所需的粒子数反转。为此，研究人员设计了这样的装置：减慢从u_n到l_n的转移速率，将电子保持在较高的能级；增加从l_n到i_n 和 i_n 到u_n + 1的转移速率，以将电子快速移出较低的能级或某种组合。这些策略取决于状态概率密度函数之间的能量和空间关系。

QCL的每个重复模块均包含多个量子阱。两个阱的最简单情况在图2b中用黑色显示，但是许多QCL在一个模块中具有更多的阱。为了加快所谓的注入速率（从i_n -1（红色）到u_n（蓝色）的转移），Hu及其小组设计了状态具有高度空间重叠的QCL。

为了减缓从u_n到l_n（黄色）的转移，研究人员确定了量子阱尺寸，该尺寸对激光发射态产生了低的空间重叠。 u_n位于第n个模块的左阱中，而l_n位于第n个模块的右阱中。这样，即使电子可以在状态之间散射而不是进行光跃迁，其影响也很小。

为了平衡跨过势垒从u_n到l_n光学跃迁的缓慢速率并获得较好的信号，该设备需要更多的电子。高电子浓度会产生充电效应，从而改变状态的相对能量。结果是i_n-1可能与u_n对齐，并且不能保证l_n和i_n之间的能量间隔。施加的电压可以恢复i_n-1和u_n的注入对准，但是l_n 过渡到 i_n 的不确定性限制了有效地将电子从l_n改组的选项。

达到新高度

先前的量子模型通常假定较高的激光水平是最高子带。但是更高的势垒会引入其他束缚状态，例如图2b中的p_(1,n)和 p_(2,n)。 Hu小组的QCL设计必须权衡取舍，以最大程度地减少进入此类非激光状态的泄漏，并最大化注入速率和光学增益。例如，增加辐射阻挡层的厚度可以减少泄漏到非激光状态中，但这也使辐射跃迁更加困难，从而降低了增益。

与加拿大滑铁卢大学的Zbig Wasilewski小组合作，研究人员制作了四种由Al0.3Ga0.7As和GaAs制成的QCL设计。创建太赫兹QCL需要通过分子束外延进行高质量的生长。由于太赫兹波长很长，因此这些器件很厚，大约10 µm，需要大概15个小时生长。在这么长的时间内保持稳定的增长状况需要极为苛刻的条件。 QCL也依赖于清晰的界面，否则会发生明显的散射。相对于近红外器件，较小的子带能隙使这些影响更加重要。

该团队最好的4 THz激光器配备了室温检测器和照相机，并配有一个小型便携式热电制冷器，产生的能量足以进行实时成像。便携式太赫兹源提供了很有前途的应用，包括皮肤癌筛查。通常为了寻找癌症，医生将受病变的皮肤切片染色，然后在显微镜下扫描。Hu说：“我的母亲是一名病理学家。” “我曾经通过她的显微镜偷看，而且确实需要训练有素的眼睛才能识别癌细胞。我无法分辨正常细胞与癌细胞之间的区别。”

水对太赫兹波的吸收很强，以至于无法进行全身扫描，但表面穿透甚至可能达到几毫米。太赫兹成像不需要切除皮肤，而且它对皮肤组织中显示癌症的血液供应和水分含量的增加很敏感。