Bygger en lys fremtid for lasere

Usynlig for det menneskelige øje, terahertz elektromagnetiske bølger kan "gennemskue" alt fra tåge og skyer til træ og murværk - en egenskab, der har et stort løfte for astrofysikforskning, påvisning af skjulte sprængstoffer og mange andre applikationer.

Terahertz -lasere kan producere fotoner med frekvenser på billioner af cyklusser i sekundet - energier mellem infrarøde og mikrobølge -fotons energier. Disse fotoner, imidlertid, er notorisk svære at generere - og det er her UCLA -lektor i elektroteknik Benjamin Williams kommer ind. Han og hans forskergruppe ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science er i fuld gang med at udforske "en af ​​de sidste grænser for den elektromagnetiske spektrum, "som Williams beskriver det.

De fleste optiske og infrarøde lasere fungerer ved, at elektroner overgår mellem to energiniveauer i en halvlederkrystal og udsender en foton. Imidlertid, denne proces udvides ikke så let til terahertz -området.

"Hvis du vil lave terahertz -stråling, du har brug for en meget lavenergifoton, så du har brug for to energiniveauer, der er meget tæt på hinanden, og det er svært at gøre med de halvledere, som naturen giver os, "sagde Williams.

Han og hans samarbejdspartnere på Terahertz Devices og Intersubband Nanostructures Laboratory producerer i stedet terahertz -fotoner ved at konstruere kunstige materialer, der efterligner atomernes energiniveauer. Disse såkaldte "kvantekaskadelasere" er fremstillet ved at arrangere forskellige halvledere i lag-nogle kun nogle få atomer tykke-for at danne kvantebrønde. Kvantbrønde er som små "kasser", der begrænser elektroner til bestemte energiniveauer valgt af design. Når en elektron overgår mellem forskellige energiniveauer, det udsender fotoner. En enkelt elektron kan kaskade mellem de mange kvantebrønde i en kvantekaskadelaser og udløse emission af flere terahertz -fotoner, og derved frembringe en kraftig laserstråle. En anden fordel ved kvantekaskadelasere er, at frekvensen af ​​de udsendte fotoner kan moduleres.

"I stedet for at være begrænset til det bandgab, som naturen giver dig, vi kan ændre bredden på disse kvantebrønde for at vælge det effektive båndgab [og ændre fotonernes frekvens]. Det er et meget kraftfuldt koncept, "sagde Williams.

Mens kvantekaskade lasere er både kraftfulde og indstillelige i frekvens, en væsentlig ulempe har været deres nærlys kvalitet.

"Tænk på en laserpeger, som har en meget flot stråle, "Sagde Williams." Strålen går, hvor du vil have den, og det ligner et dejligt sted. Du spilder ikke lyset. "

Terahertz lasere, på den anden side, ofte har bjælker, der er meget divergerende, hvilket betyder, at lysstrålen breder sig ud og derfor bliver mindre kraftfuld. I nogle tilfælde, strålen af ​​en terahertz -laser divergerer så meget, at kun 0,1 procent af den ender, hvor den oprindeligt var beregnet til at gå.

En stor bedrift i Williams laboratorium har været at skabe en type terahertz kvantekaskadelaser, der besidder både et fremragende strålemønster og høj effekt.

"Vores innovation var at lave en kunstig overflade, der består af masser af små laserantenner [metalstrukturer, der hver fungerer som en kvantekaskadeforstærker]. Nettoeffekten er et spejl, der reflekterer terahertz -lys, mens det forstærker og fokuserer det på samme tid, "sagde Williams." Vi tror, ​​at denne evne vil give os mulighed for at skabe lasere med kontrol over næsten alle lysets egenskaber - dets bølgelængde, amplitude, fase, og polarisering. "

Williams og hans team undersøger også, hvordan kvantekaskadelasere kan designes til at fungere ved stuetemperatur. I øjeblikket, forskere skal afkøle deres lasere til 77 Kelvin (-321 ° F), et trin, der begrænser lasernes brug uden for et laboratorium. Nu, Williams undersøger at bygge disse lasere ved hjælp af kvantepunkter i stedet for kvantebrønde. Mens kvantebrønde begrænser elektroners bevægelse i kun en dimension, kvanteprikker begrænser deres bevægelse i alle tre dimensioner. Den ekstra indeslutning i kvantepunkter forventes drastisk at reducere, hvor meget elektronerne spreder, hvilket ville give disse lasere mulighed for at arbejde ved stuetemperatur.

"Vi arbejder i øjeblikket med Diana Huffaker [professor i elektroteknik ved UCLA], hvem vokser kvanteprikker, "sagde Williams." [Hendes arbejde] ville give os mulighed for at udføre de samme former for kvanteteknik med kvantepunkter, som vi i øjeblikket gør med kvantebrønde. "