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抛弃低温,太赫兹探测器装置可在宽频带、室温下运行

2019-07-25 08:37:00

对电磁波谱太赫兹（TeraHertz，THz）波段中的辐射，包括红外和微波频率的研究，有望在天体物理学及生物成像等领域获得新的进展。但是对于某些应用来说，通向紧凑灵敏的太赫兹光源和探测器的道路上仍存在令人烦恼的障碍：多数必须在非常低的温度下运行，这增加了器件的面积和复杂性。然而，近期有两个小组发表的研究成果提供了一些方法来缓解探测和产生太赫兹辐射期间的低温问题。

天体物理学工具

长期以来，天文科学家一直怀有仔细观察遥远星系的梦想。但受限于技术，还无法详细探测和分析数十亿英里之外的恒星和太空活动。日前，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）Samueli工程学院的研究人员开发出了一种超灵敏的光探测系统，可以使天文学家能够仔细地观察星系、恒星和行星系统。

与以往的光传感器不同，UCLA开发的系统可在室温下工作，相比之下，类似的技术仅能够在接近-270°C（454°F）的温度下工作。关于该技术的详细介绍和进展，请参照《自然天文学》上发表的论文：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0828-6。

这一新型传感器系统，能够检测电磁波谱太赫兹波段中的辐射，其中包括远红外和微波频段。它可以产生超高清晰度的图像，并且可以检测宽光谱范围内的太赫兹波。据报道，它比目前仅在窄光谱范围内探测此类波的技术光谱范围扩大了10倍。

目前，科学家们设想的这一传感系统，需要借助几种不同类型的仪器。例如，该系统可以通过查看元素和分子的独特指示光谱特征来识别其是否存在于空间区域中。

UCLA电气与计算机工程教授Mona Jarrahi在一份声明中说道，观察太赫兹频率可以让我们看到通过光谱的其它波段看不到的细节。在天文学中，太赫兹探测范围的优势在于，与红外和可见光不同，太赫兹波不会被围绕这些天文结构的星际气体和尘埃所掩盖。

Jarrahi还补充说道，这项技术在天基观测时尤其有效，因为与地球环境不同，太赫兹波能够在不受大气干扰的情况下被探测到。

科学家认为，该系统能够进一步了解天文物体及其结构的组成，以及它们如何诞生和死亡。该系统还可以揭示恒星和星系之间存在的气体、尘埃和辐射相互作用的相关细节，并揭示分子宇宙起源的线索，这些线索可以用来判断行星是否适合生命生存。

第一作者王宁（左）和美国光学学会会士（OSA Fellow）兼加州大学洛杉矶分校教授Mona Jarrahi，以及她们研发的太赫兹探测器装置

要解决以上问题，需要在接近量子灵敏度极限运行的设备，能够从极少数到达地面望远镜的深空太赫兹光子中提取可用信号。问题是：要在外差太赫兹探测器中达到这个极限，通常需要超导体-绝缘体-超导体（superconductor-insulator-superconductor，SIS）混频器，它们只在低温下运行，将太赫兹频率变频到用于信号处理的射频波段。此外，此类太赫兹探测器往往只有相对有限的光谱带宽，这意味着必须使用多个不同的设备来探测感兴趣的更宽范围的太赫兹辐射。

等离子体解决方案

Jarrahi和她的团队通过彻底改变探测器架构来解决这个问题。最重要的是，她们用包括等离子体接触的光混频器取代了超导混频器。接触端由厚度为50nm、间隔紧密的钛/金光栅组成，连接在光吸收半导体衬底顶部的对数螺旋天线上。

在太赫兹频率下，光栅以太赫兹拍频用光束进行泵浦，将入射辐射转换为表面等离子体波，在金属-电介质界面上严格限制电子振荡。其结果是产生性能良好的本地振荡器，可以与来自（例如）天文望远镜的输入太赫兹信号混合，产生下变频拍频信号，从而可通过标准射频信号处理电子设备轻松处理。

宽频带、室温下运行

UCLA的研究人员对他们设计的制造原型进行了测试，发现它在室温下可以有效地运行，灵敏度仅高于量子噪声极限的三倍左右。此外，通过调整天线的几何形状并在一定频率范围内扫描可调谐光学泵浦光束，单个集成器件可以拾取0.1~5THz频率范围内的太赫兹信号。相比之下，研究人员指出，当前的传统太赫兹探测技术需要“大量低温冷却的SIS混频器、HEB（hot electron bolometer，热电子测辐射热计）混频器和太赫兹本地振荡器”，才能在相似的光谱范围内实现相当的灵敏度。

在研究报告的新闻发布会上，Jarrahi和她的同事指出，这种新设备在天基望远镜中尤其有用，因为重量和售后等方面的问题使得很难将传统低温太赫兹探测系统与长期运行所需的冷却箱装在一起。该小组认为，除了天文用途，这种紧凑的室温探测器还可以用于大气科学、气体传感和基本量子光学等领域。Jarrahi说：“在太赫兹频率下观察，我们可以看到光谱其它波段看不到的细节。”

太赫兹量子级联激光器

与此同时，在大西洋彼岸，OSA会士兼瑞士苏黎世联邦理工学院教授Jérôme Faist带领的研究小组一直在研究如何制造不需要低温冷却的紧凑型太赫兹光源。目前已有一候选，至少在紧凑性方面，它就是量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL），基于半导体异质结构的注入激光器，1994年由Faist及其同事在贝尔实验室首次展示。

例如，QCL作为支撑紧凑型中红外传感器用于环境应用的光源已被广泛使用（详见《中红外空气质量监测》，OPN，2015年11月）。太赫兹波段的QCL开发还有很长的路要走。但是，尽管付出了很大努力来提高它们的最高运行温度，太赫兹QCL仍然需要冷却到200K以下（-73°C）。这意味着，无论半导体激光器结构本身有多紧凑，它们都必须携带低温冷却设备，这使得基于它们的器件成本更高、体积更大、移动性更差。

双阱设计

为了跨越200K的障碍，消除对低温冷却的需求，Faist的团队，包括主要作者Lorenzo Bosco和Martin Franckie，将重点落在了每周期包含两个量子阱的结构，从之前的建模和实验中可知，这是在太赫兹波段达到更高工作温度的可能途径。但是设计和优化这样的结构极其困难和敏感。因此，该团队采用了非平衡格林函数数值建模，该方案计算量庞大但效率极高，旨在为该设备优化双阱结构。

苏黎世联邦理工学院团队的热电冷却太赫兹QCL（左上）由一组激光脊形条（左下）组成的激光芯片（右上）组成。激光器设计基于通过计算进行设计的双量子阱结构（右下）。

抛弃低温

在制造模型装置时，该小组发现它可以在高达210K（-63°C）的温度下有效地进行激光发射，虽然不完全是稳定的，但是比之前太赫兹QCL的最高工作温度提高了整整10K。虽然10K的改进听起来并不多，但这足以让团队完全抛弃低温冷却设备，只需使用标准的小型热电冷却器来冷却激光器。据该团队称，这使得这项研究成为首次使用热电制冷而不是低温制冷来演示太赫兹QCL。

该团队认为，这一优势可以“为新一代基于高功率太赫兹相干光源的片上便携式太赫兹器件铺平道路”。研究人员还看到了该研究结果在无创生物医学和工业成像、安全筛查和其它领域的潜在应用。

辐射运行装置缓解