美科學(xué)家研制出超靈敏量子級聯(lián)激光器

繼朗訊(Lucent)貝爾實驗室(Bell Labs)率先研究量子級聯(lián)激光器(quantum cascade laser)并預(yù)言了更加靈敏的光譜組件之后不到兩年，美國喬治亞理工學(xué)院(Georgia Tech.)的研究人員亦宣稱他們已經(jīng)驗證了單芯片光譜分析的可行性。該光譜儀(spectrometer)將所有組件整合到一個組件中，就能夠?qū)崿F(xiàn)如星艦迷航記(Star Trek)中所謂的手持式“三度儀(tricorder)”的芯片上實驗室應(yīng)用。

至今尚無人能夠?qū)⑺薪M件整合在一個芯片之中，而喬治亞理工學(xué)院的一名副教授Boris Mizaikoff表示，他已經(jīng)通過利用實驗室量子級聯(lián)激光器、波導(dǎo)和探測器證實了此一概念。目前他正將該組件作為一種超靈敏的光譜儀進(jìn)行測試。利用分子所具有的突發(fā)性、毒素以及其它特性的中紅外光信號，Mizaikoff表示單芯片光譜儀在“嗅”過10億分之幾部分后就能夠識別出幾乎所有的物質(zhì)。最終這種單芯片實驗室會封裝在一個手持設(shè)備中。

在初期的測試中，Mizaikoff將一個中空的波導(dǎo)與一個相應(yīng)頻率的量子級聯(lián)激光器相連，繼而照射1毫升的氣體樣本。而傳統(tǒng)光譜儀的樣本氣體則需要數(shù)百毫升。這就使探測光子能隙物質(zhì)內(nèi)部的檢測量級降低到10億分之30。“我們正利用非常先進(jìn)的激光技術(shù)來建立化學(xué)感測系統(tǒng)”，Mizaikoff表示，“采用量子級聯(lián)激光器作為半導(dǎo)體光源，優(yōu)勢在于光源在中紅外光波段，而幾乎所有組織的分子在大約3至20微米的范圍內(nèi)具有極為特殊的振動特性?！盡izaikoff的工作由博士候選人Christy Charlton協(xié)助進(jìn)行。

透過波導(dǎo)可以將符合被測物質(zhì)指紋頻率的單波長的激光束限制在非常少量的受測氣體或液體上。用于液體傳感器的波導(dǎo)由以色列特拉維夫大學(xué)(Tel Aviv University)制造，氣體傳感器波導(dǎo)由OmniGuide公司開發(fā)。

量子級聯(lián)激光器在幾何學(xué)上與垂直腔表面發(fā)射型激光器(VCSEL)類似，但能夠整合到半導(dǎo)體芯片中用于探測光譜。有幾家實驗室(如哈佛大學(xué)Federico Capasso教授的小組以及普林斯頓大學(xué)Claire Gmachl的小組等)正致力于將光子晶體和垂直發(fā)射量子級聯(lián)激光器相整合的研究。不過在Mizaikoff的實驗中所使用的激光器是透過一個與分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)正交的劈面發(fā)射的，是由Mizaikoff的合作伙伴Alpes Lasers SA所提供(詳情請見www.alpeslasers.com)。

當(dāng)電流流經(jīng)量子級聯(lián)激光器時，電子能量會躍遷下降一個能階，每下降一個能階都會釋放出光子。由于單個電子可以激發(fā)多個光子，量子阱結(jié)構(gòu)可引發(fā)強大脈沖式的級聯(lián)效應(yīng)。能量能階之間是離散而非光滑連續(xù)的，因而形成從一層到下一層的電子隧道，所以電子能夠從一個能量級躍遷到其它能量級上，并在每次躍遷中發(fā)射光子。

傳統(tǒng)激光器中，單個電子僅能透過從半導(dǎo)體導(dǎo)帶至價能帶躍遷時發(fā)射一個光子；而量子級聯(lián)激光器能夠在很微小差別的能量級上排列25至75個量子阱，從而所產(chǎn)生的級聯(lián)效應(yīng)使每個電子能夠激發(fā)出多達(dá)75個光子。量子級聯(lián)激光器采用分子束外延技術(shù)制造，從鎵和鋁交錯的每層都在原子的尺寸級上，每層均比上一層稍薄。