緊湊型芯片激光器已經征服了從紫外到紅外的大部分電磁頻譜，使得從數字通信、條形碼閱讀器，到激光指示器和打印機的科學技術成為可能。但是，頻譜中仍有一個關鍵區域未被“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成的能穿透不透明物體并探測其內部化學指紋的太赫茲輻射源。但是現有的緊湊型太赫茲激光器只能在超低溫下工作，限制了其在實驗室環境中的應用。

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

如今，一項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》上報告稱，他們在一個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。

“這是一項偉大的成就。”意大利國家研究委員會納米科學研究所凝聚態物理學家Miriam Vitiello說，提高太赫茲激光器的工作溫度一直是業界的長期目標，這項新發明讓從醫學成像到機場爆炸物探測的諸多應用成為可能。

當電子落入半導體合金中的電子空位后，標準芯片激光器會產生光子。其中，電子空位的組成決定了半導體合金的顏色，例如，氮化鎵發射藍光，而砷化鎵發射紅光。然而，沒有半導體合金發射太赫茲范圍內的光子。

1994年，美國貝爾實驗室的研究人員發明了一種新的激光器，其半導體結構，而不僅僅是化學性質決定了波長。這種激光器被稱為量子級聯激光器（QCL），它包含數百層精確厚度的半導體。注入到其結構中的電子級聯下降數百個能量級，每級釋放一個光子。

在最初的QCL中，這些光子仍處于紅外范圍，但是2002年，意大利和英國的研究人員更進一步，其制造的QCL發射的光子處于太赫茲范圍。但是上述設備工作溫度為50 K（-223.15℃）。

去年，由瑞士蘇黎世聯邦理工學院物理學家Jérome Faist領導的研究團隊推出了一種太赫茲QCL，它由數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格昂貴的低溫冷卻器。

在較高溫度下，電子會一次躍過多層間的勢壘，而不是一步一層地穿過結構。麻省理工學院的研究團隊已經證明，通過更精確地調整其層狀結構（某些層只有7個原子厚），可以使電子在足夠高溫度下工作，這一溫度足以用標準的緊湊型熱電制冷器實現。更重要的是，該策略可能使團隊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的這種在室溫下工作的太赫茲探測器配對，這種聯合可使諸如太赫茲成像儀這樣的設備，在不進行活檢的情況下區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很久了。”Faist說。

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