兆赫雷射在室溫下發光
- 上線日期：2008/6/30 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網http://nano.nchc.org.tw/
兆赫(Terahertz)光束在科學及技術上有許多潛在的應用，諸如生物造影、保全監視及材料科學上。現在這些應用離實現又更進一步了，因為美國及瑞士的研究員利用商用半導體奈米科技，製造出第一台室溫同調兆赫光源。
兆赫輻射在電磁光譜中介於微波及遠紅外之間，波長從約1毫米至0.03 mm。目前為止，能發出兆赫波的小型半導體雷射只有量子級聯雷射(QCLs)。QCL含有許多由量子井構成的相同層級，加電壓時，電子迅速躍遷至量子井的一個能階，然後掉到低能階並放出一個光子，接著同一顆電子被注入新的層級，又發射出另一光子；透過這種方式，一個電子在結構中「拾級而下」時便可發射出數目與層級一樣多的光子。
以往，QCL僅能在低於200K的低溫下發出兆赫輻射。最近，哈佛機械與應用科學系的Federico Capasso與德州A&M大學及蘇黎士瑞士聯邦工業學院(ETH)的同事製造出的新量子級聯雷射裝置，可在室溫下發出數百奈瓦的兆赫輻射。在商用熱電冷卻器可達到的259K下，功率可增加到微瓦等級。此外，將雷射主動區的半導體奈米結構層加以優化，以及增加兆赫幅射的萃取率，還能進一步將功率提升到數毫瓦。
這個團隊利用「頻差產生」(difference-frequency generation, DFG)材料製造量子級聯雷射，這類材料在兩種不同頻率的光照射下，電子發射出的光除了這兩種頻率外，還有它們的差值。當兩種頻率都在中紅外區時，量子級聯雷射可產生5THz的頻差。
利用頻差達成的兆赫光源已行之多年，不過都需要高功率幫浦及大型非線性晶體來產生頻差。相形之下，新裝置是以電子驅動，過程全發生在毫米級的晶體中，因此具備小巧、攜帶方便及低耗電的優點。
兆赫級輻射能穿透金屬之外的大部分物質，因此可用來偵測藏匿的武器、爆炸性化學物質或為生物樣品造影。研究員目前致力於優化量子井的設計，來增加發光面積，以便在室溫和熱電冷卻溫度下提升其輸出功率。詳見Appl. Phys. Lett. 92 201101 (2008)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/34383
譯者:王雅惠(逢甲大學光電學系)
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