Laserforskere går dristigt ind på ukendt THz-territorium

Engang var det foretrukne våben for både B-film galninger og rumfiktionshelte, laseren - en enhed, der genererer en intens stråle af kohærent elektromagnetisk stråling ved at stimulere emissionen af ​​fotoner fra exciterede atomer eller molekyler - er blevet en smule domesticeret på det seneste.

Disse dage, det har et fast job i industrien, og bruger sin fritid på at udskrive dokumenter på hjemmekontorer og afspille film i hjemmebiografer. Her og der dukker det op i medicinske tidsskrifter og militærnyheder, men det er dybest set blevet reduceret til at læse stregkoder ved kassen – en teknologi, der har mistet sin mojo.

Men lasere er stadig seje, insisterer Sushil Kumar fra Lehigh University, med et stort potentiale for innovation, som vi lige er begyndt at udnytte. Og med støtte fra National Science Foundation (NSF), han er på en mission for at bevise det.

Kumar, en lektor i elektro- og computerteknik, fokuserer specifikt på lasere, der kommer fra et relativt uudnyttet område i det elektromagnetiske spektrum, terahertz (THz), eller fjern infrarød, frekvens. En forsker i spidsen for THz halvleder 'kvante-kaskade' laserteknologi, han og hans kolleger har offentliggjort verdensrekordresultater for drift ved høje temperaturer og andre vigtige ydelseskarakteristika for sådanne lasere.

Hans mål er at udvikle enheder, der åbner op for en bred vifte af mulige applikationer:kemisk og biologisk sensing, spektroskopi, påvisning af sprængstoffer og andre smuglervarer, sygdomsdiagnose, kvalitetskontrol inden for lægemidler, og endda fjernmåling i astronomi for at forstå stjerne- og galaksedannelse, bare for at nævne nogle få. (Ganske seje ting... folkene bag ved kassen ville være imponerede.)

Men på trods af de kendte fordele, Kumar siger, at terahertz-lasere er blevet underudnyttet og underudforsket; høje omkostninger og funktionelle begrænsninger har hindret den innovation, der ville føre til sådan brug. Kumar, imidlertid, mener, at han er på vej til virkelig at frigøre kraften ved THz-laserteknologi; han modtog for nylig et tilskud fra NSF, Faselåste arrays af højeffekt terahertz-lasere med ultrasmalle stråler, med et mål om at skabe THz-lasere, der producerer langt større optiske intensiteter, end det er muligt i øjeblikket - og potentielt fjerne barrierer for omfattende forskning og kommerciel anvendelse.

Fokus på en løsning

Ifølge Kumar, terahertz-regionen af ​​det elektromagnetiske spektrum er betydeligt underudviklet på grund af mangel på højenergikilder til stråling. Eksisterende kilder har lav udgangseffekt og andre uønskede spektrale karakteristika, som gør dem uegnede til seriøs anvendelse. Hans nuværende projekt har til formål at udvikle terahertz-halvlederlasere med præcis emissionsfrekvens på op til 100 milliwatt gennemsnitlig optisk effekt - en forbedring på to størrelsesordener i forhold til nuværende teknologi - i en smal stråle med væsentlig mindre end fem graders vinkeldivergens.

Kumar arbejder med kvantekaskadelasere (QCL'er). Disse enheder blev oprindeligt opfundet til emission af mellem-infrarød stråling. De er først for nylig begyndt at markere sig ved THz-frekvenser, og i det område lider de af flere yderligere udfordringer. I dette banebrydende miljø, Kumars gruppe er blandt nogle få udvalgte i verden, der gør fremskridt hen imod en levedygtig og billig produktion af disse lasere.

Kumars tilsigtede tilgang vil væsentligt forbedre udgangseffekten og strålekvaliteten fra QCL'er. En bærbar, elektrisk betjent kryokøler vil give den nødvendige temperaturkøling til halvlederlaserchipsene; disse vil indeholde faselåste QCL-arrays, der udsender ved en række diskrete terahertz-frekvenser bestemt af den ønskede applikation.

I tidligere arbejde, Kumar og hans gruppe viste, at THz-lasere (emtter ved en bølgelængde på cirka 100 mikron) kunne udsende en fokuseret lysstråle ved at bruge en teknik kaldet distribueret feedback. Lysenergien i deres laser er begrænset inde i et hulrum klemt mellem to metalliske plader adskilt med en afstand på 10 mikron. Ved at bruge et kasseformet hulrum, der måler 10 mikron gange 100 mikron gange 1, 400 mikron (1,4 millimeter), gruppen producerede en terahertz-laser med en stråledivergensvinkel på kun 4 grader gange 4 grader, den smalleste divergens, der endnu er opnået for sådanne terahertz-lasere.

Kumar mener, at de fleste virksomheder, der i øjeblikket anvender mid-infrarøde lasere, ville være interesserede i kraftige, overkommelige terahertz QCL'er, og at teknologien i sig selv vil afføde nye løsninger.

"IPhone'en skulle eksistere, før udviklere kunne skrive de 'dræberapps', der gjorde den til et husholdningsprodukt, " siger han. "På samme måde, vi arbejder hen imod en teknologi, der kan give fremtidige forskere mulighed for at ændre verden på måder, der endnu ikke er blevet overvejet."