緊湊型芯片激光器已經(jīng)征服了從紫外到紅外的大部分電磁頻譜，使得從數(shù)字通信、條形碼閱讀器，到激光指示器和打印機(jī)的科學(xué)技術(shù)成為可能。但是，頻譜中仍有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域未被“馴服”，那就是位于紅外和微波之間的太赫茲波段。

工程師渴望找到一種現(xiàn)成的能穿透不透明物體并探測(cè)其內(nèi)部化學(xué)指紋的太赫茲輻射源。但是現(xiàn)有的緊湊型太赫茲激光器只能在超低溫下工作，限制了其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的應(yīng)用。

將太赫茲激光器置于一個(gè)小型方形冷卻器的頂部，其激光可使新的便攜式醫(yī)療診斷和爆炸物探測(cè)成為可能。圖片來源：ALI KHALATPOUR

如今，一項(xiàng)新研究讓太赫茲激光器不再受制于溫度。

近日，研究人員在《自然—光子學(xué)》上報(bào)告稱，他們?cè)谝粋€(gè)芯片上制造出了米粒大小的太赫茲激光器，其工作溫度為250K，約為-23℃，其配套的插入式冷卻器也只有餅干大小。

“這是一項(xiàng)偉大的成就。”意大利國(guó)家研究委員會(huì)納米科學(xué)研究所凝聚態(tài)物理學(xué)家Miriam Vitiello說，提高太赫茲激光器的工作溫度一直是業(yè)界的長(zhǎng)期目標(biāo)，這項(xiàng)新發(fā)明讓從醫(yī)學(xué)成像到機(jī)場(chǎng)爆炸物探測(cè)的諸多應(yīng)用成為可能。

當(dāng)電子落入半導(dǎo)體合金中的電子空位后，標(biāo)準(zhǔn)芯片激光器會(huì)產(chǎn)生光子。其中，電子空位的組成決定了半導(dǎo)體合金的顏色，例如，氮化鎵發(fā)射藍(lán)光，而砷化鎵發(fā)射紅光。然而，沒有半導(dǎo)體合金發(fā)射太赫茲范圍內(nèi)的光子。

1994年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明了一種新的激光器，其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，而不僅僅是化學(xué)性質(zhì)決定了波長(zhǎng)。這種激光器被稱為量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL），它包含數(shù)百層精確厚度的半導(dǎo)體。注入到其結(jié)構(gòu)中的電子級(jí)聯(lián)下降數(shù)百個(gè)能量級(jí)，每級(jí)釋放一個(gè)光子。

在最初的QCL中，這些光子仍處于紅外范圍，但是2002年，意大利和英國(guó)的研究人員更進(jìn)一步，其制造的QCL發(fā)射的光子處于太赫茲范圍。但是上述設(shè)備工作溫度為50 K（-223.15℃）。

去年，由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)家Jérome Faist領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)推出了一種太赫茲QCL，它由數(shù)百層砷化鎵和鋁砷化鎵交替組成，工作溫度為210K（-63.15℃）。然而，其仍需配備體積龐大且價(jià)格昂貴的低溫冷卻器。

在較高溫度下，電子會(huì)一次躍過多層間的勢(shì)壘，而不是一步一層地穿過結(jié)構(gòu)。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，通過更精確地調(diào)整其層狀結(jié)構(gòu)（某些層只有7個(gè)原子厚），可以使電子在足夠高溫度下工作，這一溫度足以用標(biāo)準(zhǔn)的緊湊型熱電制冷器實(shí)現(xiàn)。更重要的是，該策略可能使團(tuán)隊(duì)最終制造出室溫太赫茲激光器。

室溫太赫茲輻射源可以與Vitiello和其他研究人員正在開發(fā)的這種在室溫下工作的太赫茲探測(cè)器配對(duì)，這種聯(lián)合可使諸如太赫茲成像儀這樣的設(shè)備，在不進(jìn)行活檢的情況下區(qū)分皮膚癌和正常組織，也可以觀察航空乘客和貨物中隱藏的爆炸物、非法藥物，甚至假藥。“我們期待這一天已經(jīng)很久了。”Faist說。

責(zé)任編輯：lq