Schematisk över en laserkammare i den termoelektriskt kylda THz kvantkaskadlasern. Upphovsman:Faist group, ETH Zürich
Terahertz (THz) strålning är lite som en skattkista som motstår att öppnas helt. Bor i det elektromagnetiska spektrumet mellan de infraröda och mikrovågsregionerna, THz -strålning kombinerar en rad egenskaper som är idealiska för applikationer. Det ger ett fönster till unik spektroskopisk information om molekyler och fasta ämnen, det kan tränga igenom icke-ledande material som textilier och biologisk vävnad, och det gör det utan att jonisera - och därmed skada - föremålet, eller ämne, under undersökning. Detta öppnar spännande möjligheter för icke-invasiv avbildning och icke-destruktiv kvalitetskontroll, bland andra applikationer. Men det finns ingen brist på idéer för potentiella användningsområden, deras genomförande försvåras av brist på praktisk teknik för att generera och detektera THz -strålning.
Därav spänningen som Lorenzo Bosco, Martin Franckié och kollegor från gruppen Jérôme Faist vid Institute for Quantum Electronics i ETH Zürich rapporterade att en THz-kvantkaskadlaser genomfördes som arbetar vid en temperatur på 210 K (-63 ° C). Det är den högsta driftstemperatur som hittills uppnåtts för den här typen av enheter. Mer viktigt, detta är första gången som en sådan anordning har demonstrerats i en temperaturregim där inga kryogena kylmedel behövs. Istället, Bosco et al. använde en termoelektrisk kylare, som är mycket mer kompakt, billigare och lättare att underhålla än kryogen utrustning. Med detta förskott, de tog bort de viktigaste hindren på vägen till olika praktiska tillämpningar.
En kaskad mot applikationer
Quantum cascade lasers (QCLs) har länge etablerats som ett naturligt koncept för THz -enheter. Liksom många lasrar som används i stor utsträckning som ljuskällor i det synliga till infraröda frekvensområdet, QCL är baserade på halvledarmaterial. Men jämfört med typiska halvledarlasrar som används, till exempel, i streckkodsläsare eller laserpekare, QCL fungerar enligt ett fundamentalt annorlunda koncept för att uppnå ljusemission. Kortfattat, de är byggda kring upprepade staplar av exakt konstruerade halvledarkonstruktioner (se figuren, panel c), som är utformade så att lämpliga elektroniska övergångar äger rum i dem (panel d).
QCL föreslogs 1971, men först demonstrerades först 1994, av Faist och kollegor, arbetar sedan på Bell Laboratories (USA). Tillvägagångssättet har bevisat sitt värde i ett brett spektrum av experiment, både grundläggande och tillämpade, främst i den infraröda regionen. Utvecklingen av QCL för THz -utsläpp har gjort betydande framsteg, för, från och med 2001. Utbredd användning har dock hindrats av kravet på kryogena kylmedel - vanligtvis flytande helium - vilket ger betydande komplexitet och kostnad, och gör enheter stora och mindre mobila. Framstegen mot drift av THz QCL vid högre temperaturer har i huvudsak fastnat vid tidpunkten för sju år sedan, när drift av enheter vid cirka 200 K (-73 ° C) uppnåddes.
a) Den termoelektriskt kylda laserlådan med lasern monterad ovanpå ett Peltier -element (vit kvadrat), möjliggör drift mellan 195 K och 210,5 K med lasern som sänder vertikalt genom fönstret i det övre locket. b) Laserkretsen som monterad i laserlådan, kontaktas med tunna guldtrådar bundna ovanpå flera laser åsar. c) Schematisk över en laser ås; de horisontella linjerna visar kvantbrunnstrukturen som bildas av skiktade halvledare. Åsen (150 mikrometer bred) är inklämd mellan tunna lager koppar. d) Ledningsbandets kant (vita linjer) lutade av den applicerade driftförspänningen, med elektrontätheten upplöst i energi som visas i färg. Den elektriska förspänningen driver elektroner genom de icke-strålningsövergångar som indikeras av den streckade pilen. Detta pumpar tillståndet i den tunna brunnen, som blir mer befolkad än staten i den bredare brunnen som indikeras av den gröna pilen, möjliggör nettostimulerad emission av terahertz -fotoner. Upphovsman:Faist group, ETH Zürich
Barriär korsade
Att nå 200 K var en imponerande bedrift. Den temperaturen, dock, är strax under märket där kryogen teknik kan ersättas med termoelektrisk kylning. Att rekordtemperaturen inte rörde sig sedan 2012 innebar också att någon form av "psykologisk barriär" började gå upp - många i fältet började acceptera att THz QCL alltid skulle behöva fungera i kombination med en kryogen kylare.
ETH -laget har nu brutit ner den barriären. Skriver in Tillämpad fysikbokstäver , de presenterar en termoelektriskt kyld THz QCL, arbetar vid temperaturer upp till 210 ° K. Dessutom, det utsända laserljuset var tillräckligt starkt för att det skulle kunna mätas med en rumstemperaturdetektor. Detta innebär att hela installationen fungerade utan kryogen kylning, ytterligare stärka tillvägagångssättet för praktiska tillämpningar.
Bosco, Franckié och deras medarbetare lyckades ta bort "kylbarriären" på grund av två relaterade prestationer. Först, de använde i utformningen av sina QCL -staplar den enklaste möjliga enhetsstrukturen, baserat på två så kallade kvantbrunnar per period (se figuren, panel d). Detta tillvägagångssätt har varit känt för att vara en väg till högre driftstemperaturer, men samtidigt är denna design med två brunnar också extremt känslig för de minsta förändringarna i geometri hos halvledarkonstruktioner. Optimering av prestanda relativt en parameter kan leda till försämring i förhållande till en annan. Eftersom systematisk experimentell optimering inte är ett lönsamt alternativ, de var tvungna att förlita sig på numerisk modellering.
Detta är det andra området där gruppen har gjort betydande framsteg. I det senaste arbetet har de har fastställt att de exakt kan simulera komplexa experimentella QCL -enheter, med hjälp av ett tillvägagångssätt som kallas nonequilibrium Greens funktionsmodell. Beräkningarna måste utföras på ett kraftfullt datorkluster, men de är tillräckligt effektiva för att de kan användas för att systematiskt söka efter optimala mönster. Gruppens förmåga att exakt förutsäga enheternas egenskaper - och att tillverka enheter enligt exakta specifikationer - gav dem verktygen för att förverkliga en serie lasrar som konsekvent fungerar vid temperaturer som kan nås med termoelektrisk kylning (se figuren, panelerna a och b). Och tillvägagångssättet är inte uttömt. I Faist -gruppen finns idéer för att driva driftstemperaturen längre upp. och preliminära resultat ser lovande ut.
Fyller THz -luckan
Den första demonstrationen av en terahertz kvantkaskadlaser som fungerar utan kryogen kylning utgör ett viktigt steg mot att fylla 'THz -gapet', som länge funnits mellan den mogna tekniken för mikrovågsugn och infraröd strålning. Utan rörliga delar eller cirkulerande vätskor inblandade, den typ av termoelektriskt kylda THz QCL som nu introduceras av ETH -fysikerna kan lättare appliceras och underhållas utanför gränserna för specialiserade laboratorier - vilket ytterligare lyfter locket på "THZ skattkista".
