Forskerteam demonstrerer terahertz halvlederlaser med rekordhøj udgangseffekt

Evnen til at udnytte lys til en intens stråle af monokromatisk stråling i en laser har revolutioneret den måde, vi lever og arbejder på i mere end halvtreds år. Blandt dens mange applikationer er ultrahurtig datakommunikation med høj kapacitet, fremstilling, kirurgi, stregkodescannere, printere, selvkørende teknologi og spektakulære laserlysdisplays. Lasere finder også et hjem inden for atom- og molekylær spektroskopi, der bruges i forskellige videnskabelige grene samt til påvisning og analyse af en lang række kemikalier og biomolekyler.

Lasere kan kategoriseres baseret på deres emissionsbølgelængde inden for det elektromagnetiske spektrum, heraf er lasere med synligt lys - som dem i laserpointer - kun en lille del. Infrarøde lasere bruges til optisk kommunikation gennem fibre. Ultraviolette lasere bruges til øjenoperationer. Og så er der terahertz -lasere, som er genstand for undersøgelse hos forskergruppen i Sushil Kumar, lektor i elektroteknik og computerteknik ved Lehigh University.

Terahertz -lasere udsender stråling, der sidder mellem mikrobølger og infrarødt lys langs det elektromagnetiske spektrum. Deres stråling kan trænge igennem almindelige emballagematerialer, såsom plast, tekstiler og pap, og er også bemærkelsesværdigt effektive til optisk registrering og analyse af en lang række kemikalier. Disse lasere har potentiale til brug ved ikke-destruktiv screening og påvisning af emballerede sprængstoffer og ulovlige stoffer, vurdering af farmaceutiske forbindelser, screening for hudkræft og endda undersøgelse af dannelse af stjerner og galakser.

Applikationer såsom optisk spektroskopi kræver, at laseren udsender stråling ved en præcis bølgelængde, som oftest opnås ved at implementere en teknik kendt som "distribueret feedback". Sådanne enheder kaldes single-mode lasere. Kræver single-mode drift er især vigtigt for terahertz lasere, da deres vigtigste applikationer vil være inden for terahertz -spektroskopi. Terahertz -lasere er stadig i en udviklingsfase, og forskere rundt om i verden forsøger at forbedre deres præstationsegenskaber for at opfylde de betingelser, der ville gøre dem kommercielt levedygtige.

Når det formerer sig, terahertz -stråling absorberes af atmosfærisk luftfugtighed. Derfor, et centralt krav for sådanne lasere er en intens stråle, så den kan bruges til optisk registrering og analyse af stoffer, der holdes i en standoff -afstand på flere meter eller mere, og ikke blive absorberet. Til denne ende, Kumars forskerhold er fokuseret på at forbedre deres intensitet og lysstyrke, delvist opnåelig ved at øge optisk effekt.

I et nyligt papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , Lehigh-teamet-under opsyn af Kumar i samarbejde med Sandia National Laboratories-rapporterede om en enkel, men effektiv teknik til at forbedre effektudbyttet af single-mode lasere, der er "overfladeemitterende" (i modsætning til dem, der bruger en "kantemitterende" konfiguration). Af de to typer, den overfladeemitterende konfiguration til halvlederlasere giver karakteristiske fordele ved, hvordan laserne kan miniaturiseres, pakket og testet til kommerciel produktion.

Den publicerede forskning beskriver en ny teknik, ved hvilken en bestemt type periodicitet introduceres i laserens optiske hulrum, tillader det fundamentalt at udstråle en stråle af god kvalitet med øget strålingseffektivitet, hvilket gør laseren mere kraftfuld. Forfatterne kalder deres skema for at have en "hybrid anden- og fjerdeordens Bragg-gitter" (i modsætning til en andenordens Bragg-gitter til den typiske overfladeemitterende laser, hvis variationer har været brugt i en lang række lasere i tæt på tre årtier). Forfatterne hævder, at deres hybridgitterskema ikke er begrænset til terahertz-lasere og potentielt kan forbedre ydeevnen for en bred klasse af overfladeemitterende halvlederlasere, der udsender ved forskellige bølgelængder.

Rapporten diskuterer eksperimentelle resultater for en monolitisk single-mode terahertz-laser med en effekt på 170 milliwatt, som er den mest kraftfulde til dato for en sådan klasse af lasere. Forskningen viser endegyldigt, at det såkaldte hybridgitter er i stand til at få laseren til at udsende ved en bestemt ønsket bølgelængde gennem en simpel ændring i periodiciteten af ​​præget gitter i laserens hulrum, samtidig med at dens strålekvalitet bevares. Kumar fastholder, at effektniveauer på et watt og derover bør kunne opnås med fremtidige ændringer af deres teknik-hvilket måske bare er den tærskel, der skal overvindes, for at industrien kan lægge mærke til og træde ind i potentiel kommercialisering af terahertz laserbaserede instrumenter.