太赫兹量子级联激光器

美国科研人员开发出了首个集成太赫兹（THz）固态收发器，新设备比目前使用的太赫兹波设备更小，功能更强大。相关研究成果发表在最新一期的《自然·光子学》杂志上。　　太赫兹技术是近年来十分热门的一个研究领域，2004年被评为影响世界未来的十大科技之一。美国能源部桑迪亚国家实验室的研究人员将同一块芯片上的探测器和激光器结合在一起，制造出了该接收设备。在实验中，研究人员将一个小的肖特基二极管嵌入一个量子级联激光器（QCL）的脊峰波导空腔中，让能量能够从量子级联激光器内部的磁场直接到达二极管的阴极，而不需要光耦合通路。这样，研究人员就不需要再为制造这些收发器等设备所需要的光学“零件”如何定位而“抓耳挠腮”了。　　新的固态系统利用了太赫兹波发出的频率。太赫兹波是指频率在0.1THz—10THz范围的电磁波，介于微波与红外之间，它能够穿透非金属材料，从而为安检、医学成像提供新的手段，在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景。　　量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件之一，科学家于2002年演示了半导体太赫兹量子级联激光器。太赫兹量子级联激光器的一个优势在于其能够同其他组件一起被整合在同一个芯片上。然而，此前要想装配出灵敏的相干收发器系统，研究人员需要将零散的、并且常常是巨大的组件组合到一起。而现在，研究人员只是将太赫兹量子级联激光器和二极管混频器整合在一个芯片上，就可以组成一个简单实用的微电子太赫兹收发器。　　研究人员也证明，新的太赫兹集成设备能够执行以前组件零散的太赫兹系统的所有基本功能，例如传输相干载波、接受外部信号、锁频等。

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[align=center][img=,500,109]https://img1.17img.cn/17img/images/202403/uepic/1bf362c7-d04f-4598-abef-b156b7517a65.jpg[/img][/align]太赫兹波在通讯和成像等方面颇具应用价值。强场超快激光与物质非线性相互作用是产生太赫兹波的重要方式之一。等离子体、气体、晶体等太赫兹产生介质相关的实验与理论研究较为充分。然而，液体水是很强的太赫兹波吸收介质，尚未有其产生太赫兹波的报道。2017年，实验发现，液体薄膜厚度或液体束直径降到微米量级时，太赫兹波的辐射大于吸收。这开启了液体太赫兹波研究的新方向。近年来，液体太赫兹波领域有实验报道，但实验观测到的较多现象均与其他介质的结果不同。例如：单色激光场可以有效地产生液体太赫兹波，而气体介质需要特定相位差的双色激光；液体太赫兹波的产率与驱动激光的能量是正比关系，而气体介质中是平方关系；在一定范围内液体太赫兹波的产率随激光的脉冲宽度的增加而增加，而气体介质相反；在双色激光的驱动下，液体太赫兹波出现非调制信号，在气体介质中却未见类似信号。复杂无序的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]体系的理论研究一直是难题，以上现象难以用已有理论来解释。科研人员只能基于之前的等离子体模型和界面效应等，来解释一些高光强下的宏观实验结果。近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员卞学滨和博士研究生李正亮，提出了产生液体太赫兹波的位移电流模型，可以系统解释上述实验观测到的系列反常现象。该微观机制模型的物理图像如图所示：液体的无序结构使得电子波包局域化，同时不同分子的外层电子的能量受到环境的影响而发生移动，在强场激光的作用下不同分子的外层电子发生跃迁，产生非对称体系的位移电流。这些跃迁的能量差在太赫兹能量区域，进而辐射出太赫兹波。同时，该工作表明原子核的量子效应起到关键作用，并预言太赫兹辐射可以研究液体的同位素效应。[align=center][img=,500,140]https://img1.17img.cn/17img/images/202403/uepic/ab7bd8de-a34e-46d4-8c18-af8e57f38952.jpg[/img][/align]关于液体中激光诱导太赫兹（THz）辐射的实验研究取得了长足进展。液体太赫兹显示出许多不同于气体和等离子体太赫兹的独特特征。例如，液体太赫兹可以通过单色激光有效产生。驱动脉冲持续时间越长，产生率越高。它还与激发脉冲能量成线性关系。在双色激光场中，测量到了意想不到的未调制太赫兹场，其对驱动激光能量的依赖性与调制太赫兹波完全不同。然而，由于难以描述复杂无序液体中的超快动力学，其潜在的微观机制仍不清楚。在此，提出了一个位移电流模型并且理论成功地再现了实验观测结果。此外，理论上还可进一步用于研究太赫兹辐射在 H[font=等线][sub][size=13px]2[/size][/sub][/font]O 和 D[font=等线][sub][size=13px]2[/size][/sub][/font]O 中的核量子效应。这项工作为研究块状液体中太赫兹辐射的起源提供了基本见解。上述成果是卞学滨团队在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]强场超快动力学研究领域继高次谐波统计涨落模型之后的又一理论进展。相关研究成果以Terahertz radiation induced by shift currents in liquids为题，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。[align=center][img=,500,407]https://img1.17img.cn/17img/images/202403/uepic/abaa2b75-02df-446e-b97d-f1ac0f39ce5b.jpg[/img][/align][align=center]液体太赫兹波产生的原理图[/align][来源：仪器信息网] 未经授权不得转载[align=right][/align]