量子級聯(lián)激光器的概念在1971年被提出，但直到1994年才由Faist及其同事首次證明，隨后由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。該方法為眾多基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)提供了價(jià)值，尤其是紅外波段。自2001年以來，用于太赫茲發(fā)射的量子級聯(lián)激光器也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。但是對低溫冷卻劑（通常是液氦）的需求大大增加了復(fù)雜性和成本，并使設(shè)備變得更加龐大和不易移動，從而阻礙其被廣泛應(yīng)用。七年前，運(yùn)行溫度達(dá)到200K（－73℃）左右，而追求更高溫度下運(yùn)行太赫茲量子級聯(lián)激光器的進(jìn)展就停滯于此。

打破依賴低溫制冷技術(shù)的障礙

達(dá)到200K已經(jīng)算是一項(xiàng)令人印象深刻的壯舉了。這個(gè)溫度剛好低于可以用熱電制冷取代低溫技術(shù)的界限。自2012年以來，溫度紀(jì)錄沒有發(fā)生變化，這也意味著某種“心理障礙”開始設(shè)立，許多場景開始接受太赫茲量子級聯(lián)激光器必須與低溫冷卻器一起工作的現(xiàn)實(shí)。

如今，ETH團(tuán)隊(duì)已經(jīng)突破了這一障礙。他們在Applied Physics Letters期刊中提出了一種熱電冷卻的太赫茲量子級聯(lián)激光器，工作溫度提高至210K。此外，所發(fā)射的激光足夠強(qiáng)，可以用室溫探測器進(jìn)行測量。這意味著整個(gè)裝置無需低溫冷卻也能正常工作，進(jìn)一步增強(qiáng)了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

Bosco、Franckie及其同事基于兩方面的努力消除了“冷卻障礙”。首先，他們在量子級聯(lián)激光器堆棧的設(shè)計(jì)中使用了最簡單的單一結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期兩個(gè)量子阱（圖d）。這種方法被認(rèn)為是一種獲得更高工作溫度的途徑，但同時(shí)這種雙阱設(shè)計(jì)對半導(dǎo)體幾何結(jié)構(gòu)的最小變化也非常敏感。對某一參數(shù)的優(yōu)化會導(dǎo)致另一參數(shù)的惡化。由于系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化不是可行的選擇，他們不得不依賴于數(shù)值模擬。

團(tuán)隊(duì)取得的第二個(gè)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展在最近的研究中被證實(shí)，他們可以使用一種稱為非平衡格林函數(shù)模型的方法精確地模擬復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)量子級聯(lián)激光器。計(jì)算必須在強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)集群上進(jìn)行，其效率足夠高，可以為最優(yōu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)地搜索。該小組具備準(zhǔn)確預(yù)測器件性能并根據(jù)精確的規(guī)格制造器件的能力，從而實(shí)現(xiàn)了一系列在熱電制冷可達(dá)到的溫度范圍持續(xù)工作的激光器（見圖a和b）。而且，現(xiàn)有方法絕不是窮途末路，F(xiàn)aist團(tuán)隊(duì)有進(jìn)一步提高操作溫度的想法，初步結(jié)果看起來確實(shí)很有希望。

填補(bǔ)太赫茲空白隙

太赫茲量子級聯(lián)激光器能夠在無需低溫冷卻的情況下工作的首次演示，填補(bǔ)了“太赫茲空白隙”。太赫茲空白隙長期存在于成熟的微波和紅外輻射技術(shù)之間。在沒有任何移動部件或循環(huán)液體的情況下，ETH物理學(xué)家引入的熱電冷卻太赫茲量子級聯(lián)激光器更容易突破專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的限制進(jìn)行應(yīng)用和維護(hù)，從而進(jìn)一步揭開“太赫茲寶箱”的“蓋子”。