Lille terahertz laser kan bruges til billeddannelse, kemisk påvisning

Terahertz-stråling - båndet af det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og synligt lys - har lovende anvendelser inden for medicinsk og industriel billeddannelse og kemisk detektion, blandt andre anvendelser.

Men mange af disse applikationer afhænger af små, strømeffektive kilder til terahertz-stråler, og standardmetoden til fremstilling af dem involverer en omfangsrig, magtkrævende, bordplade enhed.

I mere end 20 år, Qing Hu, en fremtrædende professor i elektroteknik og datalogi ved MIT, og hans gruppe har arbejdet på kilder til terahertz-stråling, der kan ætses på mikrochips. I det seneste nummer af Naturfotonik , medlemmer af Hus gruppe og kolleger ved Sandia National Laboratories og University of Toronto beskriver et nyt design, der øger effekten af ​​chip-monterede terahertz-lasere med 80 procent.

Som den bedst ydende chip-monterede terahertz-kilde endnu rapporteret, forskernes enhed er blevet udvalgt af NASA til at levere terahertz-emission til deres Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO) mission. Missionen er beregnet til at bestemme sammensætningen af ​​det interstellare medium, eller det stof, der fylder rummet mellem stjerner, og det bruger terahertz-stråler, fordi de er unikt velegnede til spektroskopisk måling af iltkoncentrationer. Fordi missionen vil udsende instrumentladede balloner til Jordens øvre atmosfære, terahertz-emitteren skal være let.

Forskernes design er en ny variation af en enhed kaldet en kvantekaskadelaser med distribueret feedback. "Vi startede med det her, fordi det var det bedste derude, " siger Ali Khalatpour, en kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi og førsteforfatter på papiret. "Den har den optimale ydeevne for terahertz."

Indtil nu, imidlertid, enheden har haft en stor ulempe, hvilket er, at det naturligt udsender stråling i to modsatte retninger. Da de fleste anvendelser af terahertz-stråling kræver rettet lys, det betyder, at enheden spilder halvdelen af ​​sin energiproduktion. Khalatpour og hans kolleger fandt en måde at omdirigere 80 procent af det lys, der normalt kommer ud af bagsiden af ​​laseren, så den kører i den ønskede retning.

Som Khalatpour forklarer, forskernes design er ikke bundet til noget bestemt "gevinstmedium, " eller en kombination af materialer i laserens krop.

"Hvis vi kommer med et bedre gevinstmedium, vi kan fordoble dens udgangseffekt, også, " siger Khalatpour. "Vi øgede magten uden at designe et nyt aktivt medie, hvilket er ret svært. Som regel, selv en stigning på 10 procent kræver meget arbejde i alle aspekter af designet."

Store bølger

Faktisk, tovejs emission, eller udsendelse af lys i modsatte retninger, er et fælles træk ved mange laserdesigns. Med konventionelle lasere, imidlertid, det afhjælpes nemt ved at sætte et spejl over den ene ende af laseren.

Men bølgelængden af ​​terahertz-stråling er så lang, og forskernes nye lasere - kendt som fotoniske trådlasere - er så små, at meget af den elektromagnetiske bølge, der rejser i laserens længde, faktisk ligger uden for laserens krop. Et spejl i den ene ende af laseren ville reflektere en lille brøkdel af bølgens samlede energi tilbage.

Khalatpour og hans kollegers løsning på dette problem udnytter en særegenhed ved den lille lasers design. En kvantekaskadelaser består af en lang rektangulær højderyg kaldet en bølgeleder. I bølgelederen, materialer er arrangeret således, at anvendelsen af ​​et elektrisk felt inducerer en elektromagnetisk bølge langs bølgelederens længde.

denne bølge, imidlertid, er det, der kaldes en "stående bølge". Hvis en elektromagnetisk bølge kan opfattes som en regulær op-og-ned-krummel, så reflekterer bølgen frem og tilbage i bølgelederen på en sådan måde, at toppene og dalene af refleksionerne er perfekt sammenfaldende med dem af bølgerne, der bevæger sig i den modsatte retning. En stående bølge er i det væsentlige inert og vil ikke stråle ud af bølgelederen.

Så Hus gruppe skærer slidser med jævne mellemrum ind i bølgelederen, som tillader terahertz-stråler at stråle ud. "Forestil dig, at du har en pibe, og du laver et hul, og vandet kommer ud, " siger Khalatpour. Slidserne er placeret således, at bølgerne, de udsender, forstærker hinanden - deres toppe falder sammen - kun langs bølgelederens akse. Ved mere skrå vinkler fra bølgelederen, de ophæver hinanden.

Bryder symmetrien

I det nye værk, Khalatpour og hans medforfattere - Hu, John Reno fra Sandia, og Nazir Kherani, en professor i materialevidenskab ved University of Toronto - sæt blot reflektorer bag hvert af hullerne i bølgelederen, et trin, der problemfrit kan indarbejdes i den fremstillingsproces, der producerer selve bølgelederen.

Reflekserne er bredere end bølgelederen, og de er placeret således, at den stråling, de reflekterer, vil forstærke terahertz-bølgen i den ene retning, men udligne den i den anden. Noget af terahertz-bølgen, der ligger uden for bølgelederen, kommer stadig rundt om reflektorerne, men 80 procent af den energi, der ville have forladt bølgelederen i den forkerte retning, bliver nu omdirigeret den anden vej.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.