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多瓦太赫兹半导体“量子级联”激光器的突破
提出了一种用于等离激元激光器的锁相方案，其中，行进的表面波将表面发射激光器阵列中的多个金属微腔纵向耦合。对于单模太赫兹激光器，证明了多瓦的发射，其中从激光阵列辐射的光子比在阵列中吸收的光子多，这些光子是光损耗。
Lehigh的光子学和纳米电子中心的研究人员使用新的锁相技术，实现了太赫兹激光器的创纪录的高输出功率，并报告了任何单波长半导体量子级联激光器的最高辐射效率。
太赫兹激光器可能很快就会出现。太赫兹激光器发出的辐射沿电磁波谱位于微波和红外光之间，由于它们能够穿透常见的包装材料（例如塑料，织物和硬纸板），并被用于识别和检测各种电磁波，因此一直是研究的重点。化学物质和生物分子种类，甚至可以成像某些类型的生物组织而不会造成损汪虚正害。实现太赫兹激光的潜力在于通过提高功率输出和光束质量来提高其强度和亮度。
现在，桑迪亚的Kumar，Jin和John L. Reno报告了太赫兹技术的另一项突破：他们已经开发出一种用于等离激元激光器的新型锁相技术，并通过使用该技术实现了太赫兹激光器的创纪录的高功率输出。他们的激光器产生了任何单波长半导体量子级联激光器最高的辐射效率。2020年6月12日在Optica上发表的论文“在单光谱模式下具有2 W输出功率的锁相太赫兹誉慧等离子体激元激光器阵列”中对这些结果进行了解释。
Kumar说：“据我们所知，太赫兹激光器的辐射效率是迄今为止任何单波长QCL所展示的最高效率，也是关于这种QCL达到50％以上的辐射效率的第一份报告。” 。“如此高的辐射效率超出了我们的期望，这也是为什么我们的激光器的输出功率显着高于以前的功率的原因之一。”
为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家们经常利用锁相技术，这是一种电磁控制系统，可以迫使一系列光腔在锁定步骤中发出辐射。太赫兹QCL利用带有金属涂层（覆层）的光腔来限制光，是一类被称为等离子体激光激光器的激光器，以其不良的辐射性能而臭名昭著。他们说，现有文献中可用的技术数量有限，可用于大幅提高此类等离激元激光器的辐射效率和输出功率。
Jin说：“我们的论文描述了一种新的等离子激元锁相方案，该方案与以前在半导体激光器的大量文献中对锁相激光器的研究明显不同。” “已证明的方法利用了电磁辐射的传播表面波作为等离激元光学腔相锁相的工具。通过达到太赫兹激光器的创纪录的高困悔输出功率，与以前的工作相比增加了一个数量级，证明了该方法的有效性。”
沿腔的金属层传播但在腔的周围介质中而不是内部而不是内部传播的传播表面波是Kumar研究小组近年来开发的一种独特方法，该方法将继续为进一步开拓新的途径革新。该团队期望他们的激光器的输出功率水平可以导致激光器研究人员和应用科学家之间的合作，以开发太赫兹光谱和基于这些激光器的传感平台。
QCL技术的这项创新是Kuhigh实验室在Lehigh进行长期研究的结果。Kumar和Jin通过大约两年的设计和试验共同开发了最终实现的想法。与桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的里诺（Reno）博士的合作使库玛（Kumar）及其团队能够接收半导体材料，以形成用于这些激光器的量子级联光学介质。
据研究人员称，这项工作的主要创新在于光腔的设计，该腔在某种程度上与半导体材料的性能无关。他们说，Lehigh CPN 公司新获得的感应耦合等离子体（ICP）蚀刻工具在推动这些激光器的性能极限方面发挥了关键作用。
Kumar说，这项研究代表了如何开发窄光束单波长太赫兹激光器，并将在未来发展，这是一个范式转变。他补充说：“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常光明。”
毫米波及太赫兹技术简介
姓名：边颖超
学号：19021210974
毫米波是指频率在30～300 GHz之间的电磁波，太赫兹波是指频率在100 GHz～10 THz之间的电磁波。这两段电磁频谱处于传统电子学和光子学研究频段之间的特殊位置，过去对其研究以及开发利用都相对较少,如图1毫米波及太赫兹频段在电磁波谱中的位置图。随着雷达和握脊无线通信等无线应用的高速发展，现有的频谱资源已变得日益匮乏，开发新频段已逐渐成为解决此矛盾的一种共识，而在毫米波和太赫兹频段存在大量未被开发的频谱资源，使得毫米波和太赫兹频率适于作为未来雷达和无线通信等应用的新频段。
近几十年来,毫米波技术得到了长足的进步。毫米波芯片方面，如主流集成电路工艺的砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等；在毫米波真空电子器件方面，如加拿大CPI公司研制的速调管(Klystron)在W波段上获得了超过200W的脉冲输出功率；具体的应用已经扩展到多个领域，如毫米波通信、毫米波成像、毫米波雷达等。
而太赫兹技术作为一项新起之秀，相对于毫米波技术，还处在探索阶段。其兼有微波/毫米波和红外可见光两个区域的特性，融合了微波和红外可见光的优点，其在宽带无线通信、精细成像方面具有重要的应用价值。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等困滚, 而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。近三十年来，太赫兹源、检测及相关元器件取得了重要进展。如今已在物理、化学生命科学、材料科学、通信等领域掀起了一轮研究热潮，成为下一代信息产业的科学技术基础，对现代科学技术、国民经济、国防建设具有汪皮余重大意义。
THz波的波长处于微波及红外光之间，因此在应用方面，相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。与微波、毫米波相比，THz探测系统可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力和独特的反隐身能力；与激光相比THz系统具有视场范围宽、搜索能力好、适用恶劣气象条件等优点。
首先，THz科学技术可以为科学研究提供强有力的新方法。THz科技在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有极其重要的应用。例如THz波不仅可以成像，而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入的研究，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、分子动力学过程，乃至量子互作用过程等重要信息。其次，THz科技对国民经济发展将起重要的推动作用。例如THz在生物医学上的应用具有很大的吸引力，在皮肤癌的诊断和治疗、DNA的探测、THz断层成像、THz药物分析和检测等方面都显示了强大的功能和成效。最后，THz技术在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势；THz技术是新一代IT产业的基础，如图2，日本第三代太赫兹无线通信技术(0.12THz)已用于2008北京奥运会高清赛事转播。以及研究THz科学技术本身就是一门重要的学科。
太赫兹技术的应用
随着技术的发展，应用可视光源检测的传统机器视觉检测技术无法解决工业自动化领域的一些特殊问题：例如，可视光无法穿透不透明的瓶子，就无法检测瓶子内部液体是否达到标准。此外，传统技术也面临着其他挑战，例如，无法直接测量封闭工件的内外直径，使用LED照明和相机传感器能够通过拍摄图像测量外直径，但无法测量内直径。
而太赫兹传感器可以解决以上问题，因为太赫兹波可以穿透不透明材料，如布料、纸张、木头和塑料，这些物体的缺陷可以通过百亿赫兹波长可视化。通过太赫兹技术可以探测成像的特点，以及测量物质成分的特性，实现对多种物体的检测。
太赫兹波(THz)的电磁波光谱介于微波和红外波之间，波长范围为1mm-100mm，频率从300GHz~3THz之间。相对于X光能量，由于THz波由于光子能量极低，所以具有无创性和非电离性特点。
太赫兹系统有连续波和脉冲波两种模式，脉冲波系统通过发送一个频段的频率来获取材料信息，连续波系统只能通过单一频率获取信息。太赫兹系统通过应用一个发射器和单点探测器来获取被测物体表面的频率轮廓，通过移动这些单点探测器，进行二维拆汪线性扫描和三维阵列面扫描，从而获取被测物二维和三维的频率轮廓。
在自动化应用中的太赫兹系统中，被测物体通过传送带进入传感器的视场范围，太赫兹光波通过Vega控制盒的同轴电缆传送，一个光电机械延迟系统用于抓拍和处理接受到的高频率波形。信号被数字化后，通过以太网或其他船速协议传送到标准PLC控制器上。在测试时，时域波形可以用来表征产品的厚度，频率谱可以来识别所使用的聚合物的类型。
在测试不透明的塑料或橡胶产品瓶、管子的厚度时，运用非接触式和非创性的检测技术非常有必要。通过Vega提供的非接触式、非创性的太赫兹测量系统的测量精度可高达10um。具有能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减穿透物质、信噪比很高等特点，可以应用于国防、医疗、科研等诸多领域，具有巨大的市场价值。
在许多塑料分拣系统中，通过检测塑料材料反光的近红拍御橘外电磁光谱即可进行材料分拣。近红外光技术仅仅在颜色较浅的塑料检测中有效，如果塑料薄片是黑色的，深色的或涂色的，近红外吸收和近红外分离是无效的，使用太赫兹的连续系统可以解决这些问题，通过太赫兹信号的幅度进行检测。
太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。借助太赫兹特有的"穿墙术"，对"墙后"物体进行三维立体成像，探测隐蔽的武器、伪装人员和显示沙尘中的坦克、火炮等装备，进而拨开战场迷雾。
近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹脉冲的激发光源袭团得以更加稳定和可靠，为进一步研究太赫兹波谱技术创造了条件。同时，各种机制的太赫兹辐射源、探测器等技术研究也在飞速发展，为太赫兹技术在国防、航空航天、通信等领域的应用奠定了基础，使得太赫兹技术有着广阔的应用前景。
重大进展：太赫兹波离普及不远了！微波和红外线早已进入日常生活
太赫兹波在科学技术中正变得越来越重要，太赫兹使科学家们能够了解未来材料的性能，测试 汽车 涂料和屏幕封套的质量，但是仍然存在很多挑战。德累斯顿-罗森多夫大学(HZDR)、德累斯顿理工大学和康斯坦茨大学的一个研究小组现在已经取得了重大进展，研究人员已经开发出一种锗组件，它可以产生短太赫兹脉冲，具有一个有利的特性：脉冲具有极宽的频谱。
因此可以同时提供许多不同的太赫兹频率，其研究成果发表在《光：科学与应用》期刊上，由于已经可以使用半导体行业中已经使用的方法来制造元件，这一开发有望在研究和技术方面获得广泛的应用。
就像光一样，太赫兹波也被归类为电磁辐射，在光谱中，它们正好落在微波和红外辐射之间。但是，虽然微波和红外线早已进入我们的日常生活，但太赫兹波的使用才刚刚开始。原因是，自本世纪初以来，专家们只能构建出合理可接受的太赫兹波来源。
但这些发射器仍然不是完美的，因为它们相对较大和禅笑昂贵，它们发出的辐射并不总是具有所需的特性。现在已建立的一种产生方法是基于砷化镓晶体，如果用短激光脉冲照射这种半导体晶体，就会形成砷化镓载流子。
这些电荷通过施加电压来加速，电压强制产生太赫兹波-基本上与VHF发射机桅杆中移动的电荷产生无线电波的机制相同。HZDR物理学家哈拉尔德·施耐德博士解释说：然而，这种方法有一些缺点：它只能用相对昂贵的特殊激光器来操作。
用用于光纤通信的那种标准激光器，它是行不通的。另一个缺点是砷化镓晶体只提供相对窄带的太赫兹脉冲，因此频率范围有限，这大大限制了应用领域。这就是施耐德和研究团队把赌注押在另一种材料上的原因（半导体锗）。有了锗，就可以使用被称为光纤激光器价格较低的激光器。此外，锗晶体非常透明，因此有助于发射非常宽的脉冲。
但是，到目前为止，遇到了一个问题：如果用短激光脉冲照射纯锗，半导体中的电荷需要几微秒才能消失，只有到那时，晶体才能吸收下一个激光脉冲。然而，今天的激光可以以几十纳秒的间隔发射脉冲，这对于锗来说，这是一个太快的发射序列。为了克服这一困难，科学家们寻找了一种方法，使锗中的电荷更快地消失，并在一种重要的贵金属黄金中找到了答案。用离子加速器将金原子射入锗晶体，黄金穿透晶体深达100纳米。
然后，科学家们将晶体在900摄氏度的温度下加热了几个小时，热处理保证了金原子均匀分布在锗晶体中。当研究团队用超短激光脉冲照射胡椒锗时，成功开始了：不是在晶体中徘徊几微秒，电荷载流子在不到两纳秒内再次消失，大约比以前快了1000倍。比喻地说，黄金的作用就像一个陷阱，有助于捕捉和中和指控，现在锗晶体可以用高重复频率的激光脉冲轰击，而且还能正常工作。
新方法使太赫兹脉冲具有极宽的带宽：不贺尺含再使用已建立的砷化镓技术的7太赫兹，而是现在的10倍-70太赫兹。研究一举获得了广泛、连续、无间隙的频谱，这意味着科学家手头有一个真正多用途的资源，可以用于最多样化的应用。另一个好处困档是，锗可以有效地使用与微芯片相同的技术进行加工，与砷化镓不同，锗与硅兼容。由于新部件可以与标准光纤激光器一起操作，因此可以使这项技术相当微型和便宜。
这应该会使掺金锗成为一个有趣的选择，不仅用于科学应用，如详细分析石墨烯等创新的二维材料，而且还用于医学和环境技术的应用。例如，人们可以想象传感器通过太赫兹光谱追踪大气中的某些气体，今天的太赫兹源仍然太贵，不能达到这个目的，德累斯顿-罗森多夫开发的新方法，可能有助于在未来使这样的环境传感器变得更便宜。
改变世界的太赫兹技术到底有多牛
太赫兹非常牛，可以看看下图
太赫兹波又称远红外线，是指电磁频率上0.1-10THz的电磁波，波长范围为0.03-3mm，这个在电磁波普位于毫米波与红外之间的“真空地带”是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个电磁波段。
太赫兹人体安检技术-利用太赫兹波对日常衣物材料（棉、麻、化纤等）特殊的穿透性，填补了人体安检领域的空白，是对当前人体安检裂斗手段的重要补充。
人体隐匿物品检测一直是国内散丛外研究的热点问题，目前的隐匿物品探测设备主要有：光学/红外成像仪、X射线系统、CT探测系统、金属安检门、手持式金属探测器等。
虽然光学、X射线系统和红外成像无异具有很高的分辨率，但是光学/红外探测不能穿冲源樱透衣物和包裹层探检隐匿违禁物；X射线系统和CT探测系统具有很好的穿透性，但其高辐射会伤害人体而无法用于人体安检；金属安检门只能告警不能定位，且对非金属违禁物无能为力；手持式金属探测器不能探检非金属违禁物，且须接触式操作，检测速度慢，易造成被检人员被侵犯感。
太赫兹人体安检技术-利用太赫兹波对日常衣物材料（棉、麻、化纤等）特殊的穿透性，填补了人体安检领域的空白，是对当前人体安检手段的重要补充。
主机尺寸： L660mm×W546mm×D213mm
主机重量：24 kg
工作温度：5℃至45℃
相对湿度：95%，非冷凝
输入电压：90V AC-264V AC, 47/63 Hz
消耗功率：90W
环境评分：IP52(NEMA 评分5,12和12K)
显示范围：W700mm x H1700mm @ 3.5m
成像距离：3-15米（动态成像）
显现范围：0.25THz 太赫兹被动式传感数组，彩色闭路电视摄像机（1280x720）
帧速率：6Hz（闭路电视和太赫兹数据正确对齐并覆盖）