美科学家研制出超灵敏量子级联激光器

继朗讯(Lucent)贝尔实验室(Bell Labs)率先研究量子级联激光器(quantum cascade laser)并预言了更加灵敏的光谱组件之后不到两年，美国乔治亚理工学院(Georgia Tech.)的研究人员亦宣称他们已经验证了单芯片光谱分析的可行性。该光谱仪(spectrometer)将所有组件整合到一个组件中，就能够实现如星舰迷航记(Star Trek)中所谓的手持式“三度仪(tricorder)”的芯片上实验室应用。

至今尚无人能够将所有组件整合在一个芯片之中，而乔治亚理工学院的一名副教授Boris Mizaikoff表示，他已经通过利用实验室量子级联激光器、波导和探测器证实了此一概念。目前他正将该组件作为一种超灵敏的光谱仪进行测试。利用分子所具有的突发性、毒素以及其它特性的中红外光信号，Mizaikoff表示单芯片光谱仪在“嗅”过10亿分之几部分后就能够识别出几乎所有的物质。最终这种单芯片实验室会封装在一个手持设备中。

在初期的测试中，Mizaikoff将一个中空的波导与一个相应频率的量子级联激光器相连，继而照射1毫升的气体样本。而传统光谱仪的样本气体则需要数百毫升。这就使探测光子能隙物质内部的检测量级降低到10亿分之30。“我们正利用非常先进的激光技术来建立化学感测系统”，Mizaikoff表示，“采用量子级联激光器作为半导体光源，优势在于光源在中红外光波段，而几乎所有组织的分子在大约3至20微米的范围内具有极为特殊的振动特性。”Mizaikoff的工作由博士候选人Christy Charlton协助进行。

透过波导可以将符合被测物质指纹频率的单波长的激光束限制在非常少量的受测气体或液体上。用于液体传感器的波导由以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)制造，气体传感器波导由OmniGuide公司开发。

量子级联激光器在几何学上与垂直腔表面发射型激光器(VCSEL)类似，但能够整合到半导体芯片中用于探测光谱。有几家实验室(如哈佛大学Federico Capasso教授的小组以及普林斯顿大学Claire Gmachl的小组等)正致力于将光子晶体和垂直发射量子级联激光器相整合的研究。不过在Mizaikoff的实验中所使用的激光器是透过一个与分层半导体结构正交的劈面发射的，是由Mizaikoff的合作伙伴Alpes Lasers SA所提供(详情请见www.alpeslasers.com)。

当电流流经量子级联激光器时，电子能量会跃迁下降一个能阶，每下降一个能阶都会释放出光子。由于单个电子可以激发多个光子，量子阱结构可引发强大脉冲式的级联效应。能量能阶之间是离散而非光滑连续的，因而形成从一层到下一层的电子隧道，所以电子能够从一个能量级跃迁到其它能量级上，并在每次跃迁中发射光子。

传统激光器中，单个电子仅能透过从半导体导带至价能带跃迁时发射一个光子；而量子级联激光器能够在很微小差别的能量级上排列25至75个量子阱，从而所产生的级联效应使每个电子能够激发出多达75个光子。量子级联激光器采用分子束外延技术制造，从镓和铝交错的每层都在原子的尺寸级上，每层均比上一层稍薄。