麻省理工学院（MIT）和滑铁卢大学（University of Waterloo）的研究人员开发了一种称为量子级联激光器（quantum cascade laser）的高功率便携式设备，它可以在实验室环境外产生太赫兹辐射。这种激光有可能被应用于皮肤癌细胞的精确定位和隐藏爆炸物的探测。

到目前为止，产生足以进行实时成像和快速光谱测量的太赫兹辐射需要远低于200开尔文（-100华氏度）或更低的温度。这些温度只能通过笨重的设备来实现，而这些设备限制了该技术在实验室中的使用。麻省理工学院电子工程和计算机科学特聘教授胡青和他的同事在《自然光子学》上发表的一篇论文中说，他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K（-10华氏度）的温度下工作，这意味着只是一个紧凑的便携式冷却器。

胡青说，太赫兹量子级联激光器（thz quantum cascade laser）最早是在2002年发明的，但要使其工作在远高于200 K的温度下是非常困难的。

这种激光器的长度只有几毫米，比人的头发还薄，是量子阱结构。在这个结构中，通过电子“级联”阶梯，每一步都发射出一个轻粒子或光子。

《自然光子学》论文中描述的一个重要创新是将激光器内的势垒高度加倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下往往会增加。

胡青说：“我们知道电子在势垒上的泄漏是致命的，”如果不用低温恒温器冷却，就会导致系统崩溃。因此，我们设置了一个更高的屏障来防止泄漏，这是突破的关键。”

研究团队为高势磊的带结构设计了正确的参数，并提出了一种新颖的设计优化方案。

这一创新与“直接声子方案”相结合，该方案使激光器通过一种结构，即每个模块的较低激光能级或结构阶梯的台阶，通过声子（或一单位振动能量）散射到基态，使电子迅速减载，然后作为电子注入到下一步的上层，这个过程重复进行。正如爱因斯坦在1916年首次设想的那样，系统中电子的这种排列对于激光的发生至关重要。

“这些是非常复杂的结构，量子阱和势垒之间有近15000个接口，其中一半甚至没有7个原子层厚，”合作者Zbig Wasilewski说，他是滑铁卢大学纳米技术教授、电子和计算机工程教授。这些接口的质量和再现性对太赫兹激光器的性能至关重要。我们的研究团队在分子束外延生长能力方面发挥了最好的作用，加上麻省理工学院合作者在量子器件建模和制造方面的专业知识，才在太赫兹光子学这一具有挑战性的领域取得了如此重要的进展。”

在医疗环境中，这种新的便携式系统包括一个小型摄像机和探测器，可以在任何有电源插座的地方工作，它可以在定期皮肤癌筛查期间，甚至在切除皮肤癌组织的手术过程中提供实时成像。胡青说，癌细胞在太赫兹波段表现得非常明显，因为它们的水和血液浓度比正常细胞高。

这项技术还可以应用于许多行业，在这些行业中，必须检测产品中的异物，以确保产品的安全和质量。

气体、毒品和爆炸物的探测随着太赫兹辐射的使用变得特别复杂。例如，臭氧破坏剂氢氧化物等化合物在太赫兹频率范围内具有特殊的光谱“指纹”，包括甲基苯丙胺和海洛因在内的毒品以及包括TNT在内的爆炸物也是如此。

参考文献：High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5 , www.nature.com/articles/s41566-020-00707-5。