太赫兹竞赛升温

太赫兹（THz）波是电磁辐射，位于光学和微波领域之间的频谱部分。由于许多形式的固态物质，分子化合物，蒸气和气体具有与THz波共振的不同物理特征，因此THz频段在光谱学和成像中的许多应用中展现出宽广的前景。因此，使用THz光谱技术可以轻松显示许多物质或对其成像。太赫兹光谱的早期驱动因素之一是需要用于天体观测和环境监测的高灵敏度仪器。如今，保护措施和公共安全也可以从对太赫兹敏感的人工鼻子中受益，因为透过检测太赫兹光谱特征可以识别许多常见的爆炸物和非法药物。此外，在生物学中，DNA的太赫兹光谱法引起了极大的兴趣[1]。

但是，由于缺乏在室温下工作的太赫兹波的半导体源，许多太赫兹系统的成本、复杂性和便携性仍然受到阻碍。令人惊讶的是，太赫兹频率范围仍然避开了半导体技术广泛的发射能力，该技术已经非常先进，可服务于其它附近的频率区域，即可见光、红外光、无线电和微波频段。实际上，至今为止，在太赫兹区域工作的半导体量子串接激光（quantum cascade laser, QCL）被限制在需要低温冷却的低温下。

现在，美国麻省理工学院的Qing Hu及其同事重新开始了在室温下进行首次THz QCL竞赛。正如本期《自然光子学》所报导的内容，胡（Hu）的团队展示了一个QCL，其发射频率为4 THz，操作温度为250 K[2]，等同于–23°C。

实现在该频率范围内在室温下发射的半导体激光是非常具有挑战性。可以透过考虑描述介质中辐射放大的物理学来理解。为了使激光运作，需要建立用于期望的激光电子跃迁之电子的居量反转。实际上，在激发态下，电子密度需要比在低能态下更高-这是热力学平衡之外的一种情况。

对于太赫兹（THz）激光跃迁，上下能阶之间的能量分离只有几毫电子伏特（5–20 meV），远低于电子在室温下获得的热能（kBT）26 meV。因此，环境温度趋向于重新分配系统能阶的电子分布，从而阻碍了必要的不平衡稳态条件。克服这种情况不是根本障碍，但是会进一步增加复杂性和对沿着半导体量子结构串接（cascade）的电子耗散能量方式的要求。太赫兹激光的历史证明，无论系统温度如何，都可以保持小的能阶间隙之间的居量反转。实际上，第一台太赫兹激光[3]出现在1960年代，它基于水蒸气在〜600 K时的分子跃迁。

胡（Hu）和同事提出的最新发现表明，温度比以前的最佳结果提高了40 K[4]。重要的是，250 K的操作温度是热电Peltier冷却组件容易达到的范围，因此不需要低温。

激光温度操作的改善与设置电子能阶的能量并控制波函数的形状的主动区的设计有关，这是量子银匠（Silversmith）的精巧作品。作者发现，在以前的THz QCL设计中，当温度升高时，电子在高能阶下被热激发，并产生平行的泄漏电流，该泄漏电流会大大降低处于较低状态的电子的流动（图一）。为了克服这个问题，新的主动区设计有两个重要修改：第一个修改为屏障高度的增加，第二个修改为使用较厚的注入屏障。较高的屏障的使用允许电子能阶之间更大的能量分离，从而抑制了热激发过程，而较厚的注入屏障则减少了与随后周期的高能阶的寄生隧道耦合（parasitic tunnel coupling）。最后，对于仅由两个量子井构成的串接激光，主动区的新量子位能将使用最短的周期。这样做的优点是减少了主动区中能阶的数量，从而避免了电子散射成多余的状态，而且还增加了单位长度的居量反转。

图一、能量阶层的能带图和电子流位能示意图。红色实线表示参与激光跃迁的电子状态，注入器为黑色实线。红色波浪箭头是发出的光子。在QCL的设计中，电子应仅在最低的能阶上流动，从而产生主动电流，该电流会引起粒子数反转，从而获得增益。但是，激发的热过程和自发穿隧进入高能态（灰色线）会产生泄漏电流，这会阻碍激光作用。胡（Hu）及其同事提出的新设计减少了这些杂散效应，即使在高温下也能保留主动电流。

值得注意的是，当安装在以230 K运转的热电冷却器上时，激光可以提供数十毫瓦的峰值输出功率，并且光束可以透过远红外室温利用摄像机看到。使用热电冷却器的太赫兹QCL的操作是该技术及其实用性和商业化的重要一步，因为它简化了整个系统并降低了体积和成本。

这些最新结果令人鼓舞，因为它们表明仍可以改善THz QCL的温度，并且在未来室温操作是可能现实的。也就是说，激光的量子效率仍然太低，无法设想连续波操作。这是必须解决和改进的方面，以确认量子串接太赫兹技术的实用性。

还应注意，还有其它在室温下产生THz辐射的方法正在迅速改善，并可能成为直接产生的替代方法。例如，最近使用隧道二极管或通过利用中红外线QCL的整合非线性下变频获得了非常有趣的结果[5-7]。此外，量子级串接气体激光[8]虽然不是整合解决方案，但噪声极低，可能适合计量学应用。