Ny laser rammer kræftbilleder til lufthavnssikkerhed

Terahertz-frekvensområdet - som sidder i midten af ​​det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og infrarødt lys - giver mulighed for højbåndskommunikation, ultrahøj opløsning billeddannelse, præcis langdistanceføling til radioastronomi, og meget mere.

Men denne del af det elektromagnetiske spektrum er forblevet uden for rækkevidde for de fleste applikationer. Det er fordi de nuværende kilder til terahertz -frekvenser er omfangsrige, ineffektiv, har begrænset tuning, eller skal fungere ved lav temperatur.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbejde med Massachusetts Institute of Technology og den amerikanske hær, har udviklet en kompakt, stuetemperatur, bredt indstillelig terahertz laser.

Forskningen er publiceret i Videnskab .

"Denne laser udkonkurrerer enhver eksisterende laserkilde i denne spektrale region og åbner den op, for første gang, til en bred vifte af applikationer inden for videnskab og teknologi, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og co-senior forfatter af papiret.

"Der er mange behov for en kilde som denne laser, ting som kortdistance, trådløs kommunikation med høj båndbredde, meget høj opløsning radar, og spektroskopi, sagde Henry Everitt, seniorteknolog hos U.S. Army CCDC Aviation &Missile Center og co-senior forfatter af papiret.

Everitt er også adjungeret professor i fysik ved Duke University.

Mens de fleste elektroniske eller optiske terahertz-kilder bruger store, ineffektiv, og komplekse systemer til at producere de undvigende frekvenser med begrænset tuningområde, Capasso, Everitt, og deres team tog en anden tilgang.

For at forstå, hvad de gjorde, lad os gennemgå nogle grundlæggende fysik om, hvordan en laser virker.

I kvantefysik, exciterede atomer eller molekyler sidder på forskellige energiniveauer - tænk på disse som etager i en bygning. I en typisk gaslaser, et stort antal molekyler fanges mellem to spejle og bringes til et ophidset energiniveau, aka en højere etage i bygningen. Når de når den etage, de forfalder, falde et energiniveau ned, og udsender en foton. Disse fotoner stimulerer henfaldet af flere molekyler, når de hopper frem og tilbage, fører til forstærkning af lys. For at ændre frekvensen af ​​de udsendte fotoner, du skal ændre energiniveauet af de exciterede molekyler.

Så, hvordan ændrer man energiniveauet? En måde er at bruge lys. I en proces kaldet optisk pumpning, lys hæver molekyler fra et lavere energiniveau til et højere - som en kvanteelevator. Tidligere terahertz molekylære lasere brugte optiske pumper, men de var begrænset i deres indstillingsmuligheder til kun nogle få frekvenser, hvilket betyder, at elevatoren kun gik til et lille antal etager.

Gennembruddet for denne forskning er, at Capasso, Everitt, og deres team brugte en meget afstemmelig, kvantekaskadelaser (QCL) som deres optiske pumpe. Disse kraftfulde, bærbare lasere, co-opfundet af Capasso og hans gruppe på Bell Labs i 1990'erne, er i stand til effektivt at producere bredt afstembart lys. Med andre ord, denne kvanteelevator kan stoppe på hver etage i bygningen.

Teorien til at optimere driften af ​​den nye laser blev udviklet af Steven Johnson, professor i anvendt matematik og fysik ved MIT, og hans kandidatstuderende Fan Wang.

Forskerne kombinerede kvante-kaskade-laserpumpen med en dinitrogenoxid-alias lattergas-laser.

"Ved at optimere laserhulrummet og linserne, vi var i stand til at producere frekvenser på næsten 1 terahertz, "sagde Arman Amirzhan, en kandidatstuderende i Capassos gruppe og medforfatter til papiret.

"Molekylære THz-lasere pumpet af en kvante-kaskadelaser tilbyder høj effekt og bredt tuningområde i et overraskende kompakt og robust design, " sagde nobelpristageren Theodor Hänsch fra Max-Planck Instituttet for Kvanteoptik i München, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Sådanne kilder vil låse op for nye applikationer fra sansning til fundamental spektroskopi."

"Det spændende er, at konceptet er universelt, sagde Paul Chevalier, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Ved hjælp af denne ramme du kan lave en terahertz-kilde med en gaslaser af næsten ethvert molekyle, og applikationerne er enorme."

"Dette resultat er enestående, " sagde Capasso. "Folk vidste, hvordan man laver en terahertz-laser før, men kunne ikke lave den til bredbånd. Det var først, da vi begyndte dette samarbejde, efter et serendipitalt møde med Henry på en konference, at vi var i stand til at skabe den forbindelse, at du kunne bruge en meget tunbar pumpe som kvante-kaskadelaseren."

Denne laser kan bruges i alt fra forbedret hud- og brystkræftbilleddannelse til lægemiddeldetektion, lufthavnssikkerhed, og optiske trådløse links med ultrahøj kapacitet.

"Jeg er særligt begejstret for muligheden for at bruge denne laser til at hjælpe med at kortlægge det interstellare medium, " sagde Everitt. "Molekyler har unikke spektrale fingeraftryk i terahertz-regionen, og astronomer er allerede begyndt at bruge disse fingeraftryk til at måle sammensætningen og temperaturen af ​​disse primordiale skyer af gas og støv. En bedre jordbaseret kilde til terahertz-stråling som vores laser vil gøre disse målinger endnu mere følsomme og præcise."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.