美國和加拿大的科學(xué)家開發(fā)了一種便攜式設(shè)備，可以在實(shí)驗(yàn)室條件之外產(chǎn)生強(qiáng)大的太赫茲輻射。這種激光將有助于診斷醫(yī)院的皮膚癌，并在機(jī)場發(fā)現(xiàn)隱藏的爆炸物。該進(jìn)展在《自然光子學(xué)》雜志上有描述。

研發(fā)的可以產(chǎn)生太赫茲激光的調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器

直到今天，產(chǎn)生足夠功率的太赫茲激光可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的影像和溫度在低于200K或更低的溫度下的快速的光譜測量。這些溫度只能通過設(shè)備整體上的溫度下降來實(shí)現(xiàn)，從而限制了該技術(shù)只適合在實(shí)驗(yàn)室使用。在近日出版的頂刊《Nature》中，來自MIT的杰出的電子工程學(xué)教授和計(jì)算科學(xué)教授 Qing Hu 及其同事報(bào)道了他們的量子級(jí)聯(lián)激光器，可以實(shí)現(xiàn)在為溫度高于250K時(shí)進(jìn)行工作，這意味著只需要一個(gè)可移動(dòng)的冷卻系統(tǒng)就可以滿足。

太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光，嵌入微型芯片 半導(dǎo)體激光器件，首次在2002年被發(fā)明，但直到該技術(shù)可以適應(yīng)在高于200K時(shí)進(jìn)行工作被證明是非常困難的，因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域由于物理的原因阻止了這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，Hu說到。

在一個(gè)比較高的溫度進(jìn)行工作，我們可以最終將這一技術(shù)應(yīng)用在緊湊且可移動(dòng)的系統(tǒng)中，并在這一領(lǐng)域取得突破，而在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行應(yīng)用，Hu說，這將使得可移動(dòng)的太赫茲影像和光譜系統(tǒng)可以立即在很寬廣的范圍得到應(yīng)用，諸如醫(yī)療、生物化學(xué)、安全以及其他領(lǐng)域。

Hu開始研究太赫茲頻率——一種電磁（波）譜在微波和紅外范圍之間的波段，可以追溯到1991年。

這一研究花了我們11年的時(shí)間，并且三代學(xué)生的持續(xù)努力，使得我們的太赫茲級(jí)聯(lián)激光器在2002年問世，他說到，從此以后，最高的極限工作溫度成為限制我們使用太赫茲激光的最大障礙，基本維持在室溫以下。在本文中報(bào)道的最高溫度為250K，被認(rèn)為是在早先210 K基礎(chǔ)上前進(jìn)了一大步，這一工作溫度為210 K的結(jié)果在2019年獲得的，這一結(jié)果是在2012年取得的溫度為200K 的基礎(chǔ)上前進(jìn)的，這一進(jìn)步花了7年。

這一激光，測量長度只有幾毫米何厚度比人的頭發(fā)還要細(xì)的目標(biāo)。

我們理解，在電子泄露的障礙之上對(duì)這一激光器來說就是一大殺手，屬于量子阱結(jié)構(gòu)且精細(xì)定制的工程和障礙。在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)，電子像瀑布一樣下降而形成類似臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，在每一步的臺(tái)階發(fā)射出一個(gè)光粒子或光子。

在期刊《Nature Photonics》中曾經(jīng)描述了一個(gè)非常重要的革新，就是在激光倍增障礙的高度以阻止電子的泄露，這是一種用以在更高溫度實(shí)現(xiàn)增加的現(xiàn)象。我們理解，在電子泄露的障礙之上，導(dǎo)致系統(tǒng)出問題，如果不能采用低溫恒溫器進(jìn)行冷卻的話，Hu說到，比較流行的觀點(diǎn)就是散射，同時(shí)伴隨著高的障礙是有損傷的，因此高的障礙需要避免。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了正確的參數(shù)用于能帶結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)用于高的障礙和新的設(shè)計(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)最大的貢獻(xiàn)在于，量子裝置的模擬和制造上，使得在THz 光子的挑戰(zhàn)上所面臨的問題取得了非常重要的進(jìn)展。

在一個(gè)醫(yī)學(xué)設(shè)置中，新的可移動(dòng)激光系統(tǒng)，包括一個(gè)緊湊型的相機(jī)和探測器，可以在任何有插座的地方進(jìn)行使用，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)皮膚的掃描的實(shí)時(shí)影像或在手術(shù)中進(jìn)行皮膚癌的練習(xí)，這些癌細(xì)胞在太赫茲激光中表現(xiàn)得非常明顯，這是因?yàn)樗麄兒懈咚脱臐舛缺瘸Ｒ?guī)得細(xì)胞要高。

這一技術(shù)同時(shí)可以應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域中，只要是需要探測異物的場合均可以使用，且探測的產(chǎn)品需要確保安全和質(zhì)量的就可以。

探測氣體、藥物和爆炸物等成為使用太赫茲激光中比較復(fù)雜的事情。例如，化合物，如氫氧化物，是一種臭氧破壞劑，在太赫茲激光頻率下具有特定的光譜指紋信息，同時(shí)對(duì)于藥物，包括海洛因以及爆炸物等，如TNT。

利用室溫?zé)後岆娞綔y器和TH在相機(jī)進(jìn)行TEC冷卻的THZ QCL的測量裝置

利用太赫茲激光，我們不僅可以觀察光學(xué)不透明材料 （黑體材料），還可以識(shí)別物質(zhì)。Hu說到。他同時(shí)還說：在不需要冷卻系統(tǒng)的前提下也可以產(chǎn)生的太赫茲激光，從而可以清晰的觀察到目標(biāo)。

太赫茲激光位于一個(gè)小的正方形的冷卻裝置中，這一激光可以便攜的用于醫(yī)療診斷和爆炸物的探測

注：太赫茲(Tera Hertz，THz)是波動(dòng)頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。1THz=1x10^12Hz，通常用于表示電磁波頻率。

來自：High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5 , www.nature.com/articles/s41566-020-00707-5

https://www.sciencemag.org/news/2020/11/new-lasers-fire-terahertz-beams-could-propel-medical-imaging-and-contraband-detection