美科學(xué)家研制出超靈敏量子級(jí)聯(lián)激光器

繼朗訊(Lucent)貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Labs)率先研究量子級(jí)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(guó)喬治亞理工學(xué)院(Georgia Tech.)的研究人員亦宣稱(chēng)他們已經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

至今尚無(wú)人能夠?qū)⑺薪M件整合在一個(gè)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(guò)利用實(shí)驗(yàn)室量子級(jí)聯(lián)激光器、波導(dǎo)和探測(cè)器證實(shí)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(cè)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(hào)，Mizaikoff表示單芯片光譜儀在“嗅”過(guò)10億分之幾部分后就能夠識(shí)別出幾乎所有的物質(zhì)。最終這種單芯片實(shí)驗(yàn)室會(huì)封裝在一個(gè)手持設(shè)備中。

在初期的測(cè)試中，Mizaikoff將一個(gè)中空的波導(dǎo)與一個(gè)相應(yīng)頻率的量子級(jí)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(cè)光子能隙物質(zhì)內(nèi)部的檢測(cè)量級(jí)降低到10億分之30?！拔覀冋梅浅Ｏ冗M(jìn)的激光技術(shù)來(lái)建立化學(xué)感測(cè)系統(tǒng)”，Mizaikoff表示，“采用量子級(jí)聯(lián)激光器作為半導(dǎo)體光源，優(yōu)勢(shì)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(dòng)特性?！盡izaikoff的工作由博士候選人Christy Charlton協(xié)助進(jìn)行。

透過(guò)波導(dǎo)可以將符合被測(cè)物質(zhì)指紋頻率的單波長(zhǎng)的激光束限制在非常少量的受測(cè)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(kāi)發(fā)。

量子級(jí)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(lèi)似，但能夠整合到半導(dǎo)體芯片中用于探測(cè)光譜。有幾家實(shí)驗(yàn)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(jí)聯(lián)激光器相整合的研究。不過(guò)在Mizaikoff的實(shí)驗(yàn)中所使用的激光器是透過(guò)一個(gè)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(qǐng)見(jiàn)www.alpeslasers.com)。

當(dāng)電流流經(jīng)量子級(jí)聯(lián)激光器時(shí)，電子能量會(huì)躍遷下降一個(gè)能階，每下降一個(gè)能階都會(huì)釋放出光子。由于單個(gè)電子可以激發(fā)多個(gè)光子，量子阱結(jié)構(gòu)可引發(fā)強(qiáng)大脈沖式的級(jí)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(gè)能量級(jí)躍遷到其它能量級(jí)上，并在每次躍遷中發(fā)射光子。

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