太赫兹量子级联激光器(QCL)装置的扫描电子显微镜(SEM)图像。信用：由研究人员提供

　　该仪器可以将强大的传感和成像功能带出实验室，并带入医院，机场或其他环境。

　　研究人员在麻省理工学院和滑铁卢大学已经开发出一种高功率，称为量子级联激光器设备的便携版本，它可以产生一个实验室设置的太赫兹辐射之外。激光可以潜在地用于确定皮肤癌和检测隐藏爆炸物的应用中。

　　到目前为止，要产生足以执行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射，需要的温度远低于200开尔文(-100华氏度)或更低的温度。只有使用笨重的设备才能达到这些温度，而这些设备将技术的使用限制为实验室环境。麻省理工学院电气工程与计算机科学系著名教授Qing Hu及其同事在2020年11月2日发表于Nature Photonics的一篇论文中报告说，他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K(-10 F)的温度下工作，意味着只需要一个紧凑的便携式冷却器。

　　在右边的照片中，您可以看到一个小的激光芯片，在咖啡杯旁边的一块上有一个热电冷却器。背景是一个很大的低温冷却器。在左侧，您可以看到微小的太赫兹QCL。信用：由研究人员提供

　　太赫兹量子级联激光器是一种微小的芯片嵌入式半导体激光器，最早于2002年发明，但要使其适应远超过200 K的工作被证明是如此困难，以至于本领域的许多人认为存在根本的物理原因阻止了该工作，胡说。

　　胡说：“在较高的工作温度下，我们最终可以将其放入紧凑的便携式系统中，并将这项突破性技术带出实验室。” “这将使便携式太赫兹成像和光谱系统能够对医学，生物化学，安全性和其他领域的广泛应用产生直接影响。”

　　早在1991年，胡就开始研究太赫兹频率(太赫兹频率是微波和红外范围之间的电磁频谱带)。

　　他说：“ 2002年，我花了11年零三代学生的时间，制造了自己的[太赫兹量子级联激光器]。” 从那时起，限制太赫兹辐射使用的最高工作温度仍远低于室温。本文报道的最大250 K代表着2019年建立的先前最大210 K的巨大飞跃，超过了2012年之前保持七年不变的200 K记录。

　　激光的长度仅为几毫米，比人的头发还细，是带有精心设计的阱和势垒的量子阱结构。在该结构内，电子在一个阶梯上“级联”下来，在每个步骤中发射出一个光粒子或光子。

　　Nature Photonics论文中描述的一项重要创新是使激光内的势垒高度加倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下往往会增加。

　　胡说：“我们知道，屏障电子泄漏是杀手，”如果不使用低温恒温器进行冷却，则会导致系统崩溃。“因此，我们设置了更高的屏障来防止泄漏，这是突破的关键。”

　　胡说，以前，偶尔会探索更高的壁垒，但结果却不如前者。普遍的看法是，与较高的势垒相关的电子散射增加是有害的，因此应避免使用较高的势垒。

　　研究团队为高障碍物的能带结构开发了正确的参数，并为设计设计了概念上新颖的优化方案。

　　这项创新与“直接声子方案”结合使用，该方案可使激光器通过一种配置运行，在该配置中，每个模块或结构楼梯台阶的较低激光水平会通过声子(或一个振动能量单位)迅速消除电子。散射成基态，然后基态充当电子注入下一步骤的上层，然后重复该过程。正如艾伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)早在1916年首次设想的那样，系统中电子的这种排列对于发生激光至关重要。

　　“这些结构非常复杂，在量子阱和势垒之间具有接近15,000个界面，其中一半甚至不到7个原子层厚，”合著者，滑铁卢大学纳米技术分会主席，电子和计算机工程教授Zbig Wasilewski说。这些接口的质量和可重复性对于太赫兹激光器的性能至关重要。在分子束外延生长能力(我们的研究团队的主要贡献)以及我们MIT合作者在量子器件建模和制造方面的专业知识中，它发挥了最好的作用，从而在这一具有挑战性的太赫兹光子学领域取得了重要进展。”

　　在医疗环境中，这种新型便携式系统包括紧凑型相机和检测器，可以在任何地方使用电源插座运行，可以在常规皮肤癌筛查甚至外科手术过程中提供实时成像，以切除皮肤癌组织。胡说，癌细胞“以太赫兹的形式出现非常显着”，因为它们具有比正常细胞更高的水和血液浓度。

　　该技术还可用于许多行业，在这些行业中必须检测产品中的异物以确保其安全性和质量。

　　使用太赫兹辐射，气体，毒品和爆炸物的检测将变得特别复杂。例如，诸如氢氧烷(一种破坏臭氧的物质)之类的化合物在太赫兹频率范围内具有特殊的光谱“指纹”，包括甲基苯丙胺和海洛因的药物以及包括TNT的炸药也具有这种特征。

　　胡说：“我们不仅可以通过不透光的材料看到物体，而且还可以识别这些物质。”

　　加利福尼亚大学洛杉矶分校电气与计算机工程系教授本杰明·威廉姆斯(Benjamin Williams)表示，这项新研究为未来的发展打开了道路。威廉姆斯说：“麻省理工学院/滑铁卢的工作很重要，因为他们已经证明了在250 K的温度下工作。即使不在室温下，这一结果也表明确实存在进一步改进的机会。” “换句话说，在这个领域工作的所有小组都在'继续游戏'。”

　　胡说，他看到了“无需冷却器即可产生强大的太赫兹”这一目标的“一条明确道路”。

　　他说：“使用直接声子方案和更高的障碍是前进的方法。” “当我们达到室温时，我终于可以看到隧道尽头的光了。”