麻省理工与滑铁卢大学合作研发出便携式QCL激光器

麻省理工学院(MIT)和滑铁卢大学(University of Waterloo)的研究人员开发了一种高功率、便携式的量子级联激光器,这种激光器可以在实验室环境之外产生太赫兹辐射。这种激光有可能应用于诸如精确定位皮肤癌和探测隐藏爆炸物等领域。

到目前为止,能够进行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射需要在远低于200开氏度(-100F/-73℃)甚至更低的温度下运行。要达到这种温度就必须要有庞大的设备,这就限制了这项技术只能在实验室中使用。

麻省理工学院电子工程和计算机科学特聘教授胡青(音)及其同事在其研究论文中表示,他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250开氏度(-10F)的温度下工作,这意味着只需要一个小巧的便携式冷却器就能达到这种温度。他们的研究发表在《自然光子学》上。

胡教授表示:“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,发明于2002年,但是要在200开氏度以上运行是非常困难的,以至于有不少业界学者推断这里面有一个基础物理原理阻碍了这一过程。”

麻省理工与滑铁卢大学合作研发出便携式QCL激光器

便携式太赫兹

胡教授说:“由于可以适应200开氏度以上温度的环境,我们可以将太赫兹量子级联激光器集成到一个小巧的便携式系统中,并将这项突破性技术带出实验室。这有望令便携式太赫兹成像和光谱系统得以面世,一旦面世将对医学、生物化学、安全以及其他领域的广泛应用产生重要影响。”

“该领域的许多权威人士不相信这些设备可以在实验室环境之外或接近室温的任何地方工作,”滑铁卢大学物理学家、电子和计算机工程教授Zbig Wasilewski评论道。“我们刚完成的研究正在改变这种看法。”

定制式工程

这些激光器只有几毫米长,是量子阱结构,带有精心定制的阱和屏障。在这种结构中,电子“级联”地沿着一种阶梯向下,每走一步都发射出一种轻粒子,即光子。

研究中的一项重要创新是将激光内的屏障高度提高一倍,以防止电子的泄漏,而这种现象在高温下往往会增加。

胡教授说:“我们知道电子泄漏是致命的。如果不使用低温恒温器冷却,就会导致系统崩溃。所以,我们设置了更高的屏障来防止泄漏,结果证明这是突破的关键。”

胡教授表示,以前,偶尔会有人去做高屏障的研究,但结果不如人意。普遍的观点是,电子散射的增加与更高的屏障是有害的,因此不应该设计更高的屏障。研究小组为能带结构开发了正确的参数以及为整体设计开发了一个概念新颖的优化方案。

麻省理工与滑铁卢大学合作研发出便携式QCL激光器

复杂结构

“这是非常复杂的结构,在量子阱和屏障之间有将近15000个界面,其中一半甚至还不到7个原子层的厚度,”合著者Wasilewski解释说。“这些界面的质量和再现性对太赫兹激光器的性能至关重要。”

在医疗领域,这种新型便携式系统包括一个小巧的相机和探测器,可以在任何有电源插座的地方操作,可以在皮肤癌筛查甚至切除皮肤癌组织的手术过程中提供实时成像。胡教授表示,癌细胞“在太赫兹内表现得非常明显”,因为它们的水和血液浓度比正常细胞要高。该技术还可应用于许多需要检测产品内部异物以确保产品安全和质量的行业。

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