太赫茲競賽升溫

太赫茲（THz）波是電磁輻射，位於光學和微波領域之間的頻譜部分。由於許多形式的固態物質，分子化合物，蒸氣和氣體具有與THz波共振的不同物理特徵，因此THz頻段在光譜學和成像中的許多應用中展現出寬廣的前景。因此，使用THz光譜技術可以輕鬆顯示許多物質或對其成像。太赫茲光譜的早期驅動因素之一是需要用於天體觀測和環境監測的高靈敏度儀器。如今，保護措施和公共安全也可以從對太赫茲敏感的人工鼻子中受益，因為透過檢測太赫茲光譜特徵可以識別許多常見的爆炸物和非法藥物。此外，在生物學中，DNA的太赫茲光譜法引起了極大的興趣[1]。

但是，由於缺乏在室溫下工作的太赫茲波的半導體源，許多太赫茲系統的成本、複雜性和便攜性仍然受到阻礙。令人驚訝的是，太赫茲頻率範圍仍然避開了半導體技術廣泛的發射能力，該技術已經非常先進，可服務於其他附近的頻率區域，即可見光、紅外光、無線電和微波頻段。實際上，至今為止，在太赫茲區域工作的半導體量子串接雷射（quantum cascade laser, QCL）被限制在需要低溫冷卻的低溫下。

現在，美國麻省理工學院的Qing Hu及其同事重新開始了在室溫下進行首次THz QCL競賽。正如本期《自然光子學》所報導的內容，胡（Hu）的團隊展示了一個QCL，其發射頻率為4 THz，操作溫度為250 K[2]，等同於–23°C。

實現在該頻率範圍內在室溫下發射的半導體雷射是非常具有挑戰性。可以透過考慮描述介質中輻射放大的物理學來理解。為了使雷射運作，需要建立用於期望的雷射電子躍遷之電子的居量反轉。實際上，在激發態下，電子密度需要比在低能態下更高-這是熱力學平衡之外的一種情況。

對於太赫茲（THz）雷射躍遷，上下能階之間的能量分離只有幾毫電子伏特（5–20 meV），遠低於電子在室溫下獲得的熱能（kBT）26 meV。因此，環境溫度趨向於重新分配系統能階的電子分佈，從而阻礙了必要的不平衡穩態條件。克服這種情況不是根本障礙，但是會進一步增加複雜性和對沿著半導體量子結構串接（cascade）的電子耗散能量方式的要求。太赫茲雷射的歷史證明，無論系統溫度如何，都可以保持小的能階間隙之間的居量反轉。實際上，第一台太赫茲雷射[3]出現在1960年代，它基於水蒸氣在〜600 K時的分子躍遷。

胡（Hu）和同事提出的最新發現表明，溫度比以前的最佳結果提高了40 K[4]。重要的是，250 K的操作溫度是熱電Peltier冷卻元件容易達到的範圍，因此不需要低溫。

雷射溫度操作的改善與設置電子能階的能量並控制波函數的形狀的主動區的設計有關，這是量子銀匠（Silversmith）的精巧作品。作者發現，在以前的THz QCL設計中，當溫度升高時，電子在高能階下被熱激發，並產生平行的洩漏電流，該洩漏電流會大大降低處於較低狀態的電子的流動（圖一）。為了克服這個問題，新的主動區設計有兩個重要修改：第一個修改為屏障高度的增加，第二個修改為使用較厚的注入屏障。較高的屏障的使用允許電子能階之間更大的能量分離，從而抑制了熱激發過程，而較厚的注入屏障則減少了與隨後周期的高能階的寄生隧道耦合（parasitic tunnel coupling）。最後，對於僅由兩個量子井構成的串接雷射，主動區的新量子位能將使用最短的周期。這樣做的優點是減少了主動區中能階的數量，從而避免了電子散射成多餘的狀態，而且還增加了單位長度的居量反轉。

圖一、能量階層的能帶圖和電子流位能示意圖。紅色實線表示參與雷射躍遷的電子狀態，注入器為黑色實線。紅色波浪箭頭是發出的光子。在QCL的設計中，電子應僅在最低的能階上流動，從而產生主動電流，該電流會引起粒子數反轉，從而獲得增益。但是，激發的熱過程和自發穿隧進入高能態（灰色線）會產生洩漏電流，這會阻礙雷射作用。胡（Hu）及其同事提出的新設計減少了這些雜散效應，即使在高溫下也能保留主動電流。

值得注意的是，當安裝在以230 K運轉的熱電冷卻器上時，雷射可以提供數十毫瓦的峰值輸出功率，並且光束可以透過遠紅外室溫利用攝像機看到。使用熱電冷卻器的太赫茲QCL的操作是該技術及其實用性和商業化的重要一步，因為它簡化了整個系統並降低了體積和成本。

這些最新結果令人鼓舞，因為它們表明仍可以改善THz QCL的溫度，並且在未來室溫操作是可能現實的。也就是說，雷射的量子效率仍然太低，無法設想連續波操作。這是必須解決和改進的方面，以確認量子串接太赫茲技術的實用性。

還應注意，還有其他在室溫下產生THz輻射的方法正在迅速改善，並可能成為直接產生的替代方法。例如，最近使用隧道二極管或通過利用中紅外線QCL的整合非線性下變頻獲得了非常有趣的結果[5-7]。此外，量子級串接氣體雷射[8]雖然不是整合解決方案，但雜訊極低，可能適合計量學應用。