對(duì)電磁波譜太赫茲（TeraHertz，THz）波段中的輻射，包括紅外和微波頻率的研究，有望在天體物理學(xué)及生物成像等領(lǐng)域獲得新的進(jìn)展。但是對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通向緊湊靈敏的太赫茲光源和探測(cè)器的道路上仍存在令人煩惱的障礙：多數(shù)必須在非常低的溫度下運(yùn)行，這增加了器件的面積和復(fù)雜性。然而，近期有兩個(gè)小組發(fā)表的研究成果提供了一些方法來(lái)緩解探測(cè)和產(chǎn)生太赫茲輻射期間的低溫問(wèn)題。

天體物理學(xué)工具

長(zhǎng)期以來(lái)，天文科學(xué)家一直懷有仔細(xì)觀察遙遠(yuǎn)星系的夢(mèng)想。但受限于技術(shù)，還無(wú)法詳細(xì)探測(cè)和分析數(shù)十億英里之外的恒星和太空活動(dòng)。日前，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Samueli工程學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種超靈敏的光探測(cè)系統(tǒng)，可以使天文學(xué)家能夠仔細(xì)地觀察星系、恒星和行星系統(tǒng)。

與以往的光傳感器不同，UCLA開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可在室溫下工作，相比之下，類似的技術(shù)僅能夠在接近-270°C（454°F）的溫度下工作。關(guān)于該技術(shù)的詳細(xì)介紹和進(jìn)展，請(qǐng)參照《自然天文學(xué)》上發(fā)表的論文：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0828-6。

這一新型傳感器系統(tǒng)，能夠檢測(cè)電磁波譜太赫茲波段中的輻射，其中包括遠(yuǎn)紅外和微波頻段。它可以產(chǎn)生超高清晰度的圖像，并且可以檢測(cè)寬光譜范圍內(nèi)的太赫茲波。據(jù)報(bào)道，它比目前僅在窄光譜范圍內(nèi)探測(cè)此類波的技術(shù)光譜范圍擴(kuò)大了10倍。

目前，科學(xué)家們?cè)O(shè)想的這一傳感系統(tǒng)，需要借助幾種不同類型的儀器。例如，該系統(tǒng)可以通過(guò)查看元素和分子的獨(dú)特指示光譜特征來(lái)識(shí)別其是否存在于空間區(qū)域中。

UCLA電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Mona Jarrahi在一份聲明中說(shuō)道，觀察太赫茲頻率可以讓我們看到通過(guò)光譜的其它波段看不到的細(xì)節(jié)。在天文學(xué)中，太赫茲探測(cè)范圍的優(yōu)勢(shì)在于，與紅外和可見(jiàn)光不同，太赫茲波不會(huì)被圍繞這些天文結(jié)構(gòu)的星際氣體和塵埃所掩蓋。

Jarrahi還補(bǔ)充說(shuō)道，這項(xiàng)技術(shù)在天基觀測(cè)時(shí)尤其有效，因?yàn)榕c地球環(huán)境不同，太赫茲波能夠在不受大氣干擾的情況下被探測(cè)到。

科學(xué)家認(rèn)為，該系統(tǒng)能夠進(jìn)一步了解天文物體及其結(jié)構(gòu)的組成，以及它們?nèi)绾握Q生和死亡。該系統(tǒng)還可以揭示恒星和星系之間存在的氣體、塵埃和輻射相互作用的相關(guān)細(xì)節(jié)，并揭示分子宇宙起源的線索，這些線索可以用來(lái)判斷行星是否適合生命生存。

第一作者王寧（左）和美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（OSA Fellow）兼加州大學(xué)洛杉磯分校教授Mona Jarrahi，以及她們研發(fā)的太赫茲探測(cè)器裝置

要解決以上問(wèn)題，需要在接近量子靈敏度極限運(yùn)行的設(shè)備，能夠從極少數(shù)到達(dá)地面望遠(yuǎn)鏡的深空太赫茲光子中提取可用信號(hào)。問(wèn)題是：要在外差太赫茲探測(cè)器中達(dá)到這個(gè)極限，通常需要超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（superconductor-insulator-superconductor，SIS）混頻器，它們只在低溫下運(yùn)行，將太赫茲頻率變頻到用于信號(hào)處理的射頻波段。此外，此類太赫茲探測(cè)器往往只有相對(duì)有限的光譜帶寬，這意味著必須使用多個(gè)不同的設(shè)備來(lái)探測(cè)感興趣的更寬范圍的太赫茲輻射。

等離子體解決方案

Jarrahi和她的團(tuán)隊(duì)通過(guò)徹底改變探測(cè)器架構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。最重要的是，她們用包括等離子體接觸的光混頻器取代了超導(dǎo)混頻器。接觸端由厚度為50nm、間隔緊密的鈦/金光柵組成，連接在光吸收半導(dǎo)體襯底頂部的對(duì)數(shù)螺旋天線上。

在太赫茲頻率下，光柵以太赫茲拍頻用光束進(jìn)行泵浦，將入射輻射轉(zhuǎn)換為表面等離子體波，在金屬-電介質(zhì)界面上嚴(yán)格限制電子振蕩。其結(jié)果是產(chǎn)生性能良好的本地振蕩器，可以與來(lái)自（例如）天文望遠(yuǎn)鏡的輸入太赫茲信號(hào)混合，產(chǎn)生下變頻拍頻信號(hào)，從而可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)射頻信號(hào)處理電子設(shè)備輕松處理。

寬頻帶、室溫下運(yùn)行

UCLA的研究人員對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的制造原型進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它在室溫下可以有效地運(yùn)行，靈敏度僅高于量子噪聲極限的三倍左右。此外，通過(guò)調(diào)整天線的幾何形狀并在一定頻率范圍內(nèi)掃描可調(diào)諧光學(xué)泵浦光束，單個(gè)集成器件可以拾取0.1~5THz頻率范圍內(nèi)的太赫茲信號(hào)。相比之下，研究人員指出，當(dāng)前的傳統(tǒng)太赫茲探測(cè)技術(shù)需要“大量低溫冷卻的SIS混頻器、HEB（hot electron bolometer，熱電子測(cè)輻射熱計(jì)）混頻器和太赫茲本地振蕩器”，才能在相似的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)撵`敏度。

在研究報(bào)告的新聞發(fā)布會(huì)上，Jarrahi和她的同事指出，這種新設(shè)備在天基望遠(yuǎn)鏡中尤其有用，因?yàn)橹亓亢褪酆蟮确矫娴膯?wèn)題使得很難將傳統(tǒng)低溫太赫茲探測(cè)系統(tǒng)與長(zhǎng)期運(yùn)行所需的冷卻箱裝在一起。該小組認(rèn)為，除了天文用途，這種緊湊的室溫探測(cè)器還可以用于大氣科學(xué)、氣體傳感和基本量子光學(xué)等領(lǐng)域。Jarrahi說(shuō)：“在太赫茲頻率下觀察，我們可以看到光譜其它波段看不到的細(xì)節(jié)?！?/p>

太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器

與此同時(shí)，在大西洋彼岸，OSA會(huì)士兼瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Jér?me Faist帶領(lǐng)的研究小組一直在研究如何制造不需要低溫冷卻的緊湊型太赫茲光源。目前已有一候選，至少在緊湊性方面，它就是量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade laser，QCL），基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的注入激光器，1994年由Faist及其同事在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次展示。

例如，QCL作為支撐緊湊型中紅外傳感器用于環(huán)境應(yīng)用的光源已被廣泛使用（詳見(jiàn)《中紅外空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)》，OPN，2015年11月）。太赫茲波段的QCL開(kāi)發(fā)還有很長(zhǎng)的路要走。但是，盡管付出了很大努力來(lái)提高它們的最高運(yùn)行溫度，太赫茲QCL仍然需要冷卻到200K以下（-73°C）。這意味著，無(wú)論半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)本身有多緊湊，它們都必須攜帶低溫冷卻設(shè)備，這使得基于它們的器件成本更高、體積更大、移動(dòng)性更差。

雙阱設(shè)計(jì)

為了跨越200K的障礙，消除對(duì)低溫冷卻的需求，F(xiàn)aist的團(tuán)隊(duì)，包括主要作者Lorenzo Bosco和Martin Franckie，將重點(diǎn)落在了每周期包含兩個(gè)量子阱的結(jié)構(gòu)，從之前的建模和實(shí)驗(yàn)中可知，這是在太赫茲波段達(dá)到更高工作溫度的可能途徑。但是設(shè)計(jì)和優(yōu)化這樣的結(jié)構(gòu)極其困難和敏感。因此，該團(tuán)隊(duì)采用了非平衡格林函數(shù)數(shù)值建模，該方案計(jì)算量龐大但效率極高，旨在為該設(shè)備優(yōu)化雙阱結(jié)構(gòu)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的熱電冷卻太赫茲QCL（左上）由一組激光脊形條（左下）組成的激光芯片（右上）組成。激光器設(shè)計(jì)基于通過(guò)計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)的雙量子阱結(jié)構(gòu)（右下）。

拋棄低溫

在制造模型裝置時(shí)，該小組發(fā)現(xiàn)它可以在高達(dá)210K（-63°C）的溫度下有效地進(jìn)行激光發(fā)射，雖然不完全是穩(wěn)定的，但是比之前太赫茲QCL的最高工作溫度提高了整整10K。雖然10K的改進(jìn)聽(tīng)起來(lái)并不多，但這足以讓團(tuán)隊(duì)完全拋棄低溫冷卻設(shè)備，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的小型熱電冷卻器來(lái)冷卻激光器。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，這使得這項(xiàng)研究成為首次使用熱電制冷而不是低溫制冷來(lái)演示太赫茲QCL。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一優(yōu)勢(shì)可以“為新一代基于高功率太赫茲相干光源的片上便攜式太赫茲器件鋪平道路”。研究人員還看到了該研究結(jié)果在無(wú)創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)成像、安全篩查和其它領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。