Terahertz laser til sansning og billeddannelse overgår sine forgængere

En terahertz -laser designet af MIT -forskere er den første til at nå tre centrale præstationsmål på én gang - høj konstant effekt, stramt strålemønster, og bred elektrisk frekvensindstilling - og kan dermed være værdifuld til en lang række anvendelser inden for kemisk sansning og billeddannelse.

Den optimerede laser kan bruges til at opdage interstellare elementer i en kommende NASA -mission, der har til formål at lære mere om vores galakses oprindelse. Her på Jorden, højeffekt fotonisk trådlaser kunne også bruges til forbedret billedbehandling af hud og brystkræft, opdagelse af stoffer og sprængstoffer, og meget mere.

Laserens nye design parrer flere halvlederbaserede, effektive trådlasere og tvinger dem til at "faselåse, "eller synkroniseringsoscillationer. Ved at kombinere output fra parene langs arrayet produceres en enkelt, højeffektstråle med minimal stråledivergering. Justeringer af de individuelle koblede lasere giver mulighed for bred frekvensjustering for at forbedre opløsning og nøjagtighed i målingerne. At opnå alle tre præstationsmålinger betyder mindre støj og højere opløsning, for mere pålidelig og omkostningseffektiv kemisk detektion og medicinsk billeddannelse, siger forskerne.

"Folk har lavet frekvenstuning i lasere, eller lavede en laser med høj strålekvalitet, eller med høj kontinuerlig bølgeeffekt. Men hvert design mangler i de to andre faktorer, "siger Ali Khalatpour, en kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi og første forfatter på et papir, der beskriver laseren, udgivet i dag i Natur fotonik . "Dette er første gang, vi har opnået alle tre metrics på samme tid i chipbaserede terahertz-lasere."

"Det er som 'en ring for at styre dem alle, '"Tilføjer Khalatpour, med henvisning til den populære sætning fra Ringenes Herre .

Deltagelse i Khalatpour på papiret er:Qing Hu, en fornem professor i elektroteknik og datalogi ved MIT, der har udført banebrydende arbejde med terahertz kvantekaskadelasere; og John L. Reno fra Sandia National Laboratories.

Udvalgt af NASA

Sidste år, NASA annoncerede Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO), en mission i 2021 om at sende et ballonbaseret teleskop i stor højde med fotoniske trådlasere til påvisning af ilt, kulstof, og nitrogenemissioner fra det "interstellare medium, " det kosmiske materiale mellem stjerner. Omfattende data indsamlet over et par måneder vil give indsigt i stjernefødsel og evolution, og hjælp med at kortlægge mere af Mælkevejen og nærliggende store magellanske sky -galakser.

For en komponent i GUSTO kemiske detektor, NASA valgte en ny halvlederbaseret terahertz-laser, der tidligere var designet af MIT-forskerne. Det er i øjeblikket den bedst effektive terahertz-laser. Sådanne lasere er unikt velegnede til spektroskopisk måling af iltkoncentrationer i terahertz-stråling, båndet i det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og synligt lys.

Terahertz-lasere kan sende kohærent stråling ind i et materiale for at udtrække materialets spektrale "fingeraftryk". Forskellige materialer absorberer terahertz -stråling i forskellige grader, hvilket betyder, at hver enkelt har et unikt fingeraftryk, der vises som en spektral linje. Dette er især værdifuldt i området 1-5 terahertz:Til påvisning af smuglervarer, for eksempel, heroinets signatur ses omkring 1,42 og 3,94 terahertz, og kokain er omkring 1,54 terahertz.

Årevis, Hu's laboratorium har udviklet nye typer kvantekaskade lasere, kaldet "fotoniske trådlasere". Ligesom mange lasere, disse er tovejs, hvilket betyder, at de udsender lys i modsatte retninger, hvilket gør dem mindre kraftfulde. I traditionelle lasere, dette problem løses let med omhyggeligt placerede spejle inde i laserkroppen. Men det er meget svært at reparere i terahertz -lasere, fordi terahertz -stråling er så lang, og laseren så lille, at det meste af lyset bevæger sig uden for laserens krop.

I laseren valgt til GUSTO, forskerne havde udviklet et nyt design til trådlasernes bølgeledere - som styrer, hvordan den elektromagnetiske bølge bevæger sig langs laseren - for at udsende envejs. Dette opnåede høj effektivitet og strålekvalitet, men det tillod ikke frekvensjustering, som NASA krævede.

Tager en side fra kemi

Bygger på deres tidligere design, Khalatpour hentede inspiration fra en usandsynlig kilde:organisk kemi. Mens jeg tog en bachelor -klasse på MIT, Khalatpour noterede sig en lang polymerkæde med atomer foret langs to sider. De var "pi-bundne, " hvilket betyder, at deres molekylære orbitaler overlappede for at gøre bindingen mere stabil. Forskerne anvendte konceptet pi-binding til deres lasere, hvor de skabte tætte forbindelser mellem ellers uafhængige trådlasere langs et array. Dette nye koblingsskema tillader faselåsning af to eller flere trådlasere.

For at opnå frekvensindstilling, forskerne bruger små "knapper" til at ændre strømmen for hver trådlaser, som en smule ændrer hvordan lys bevæger sig gennem laseren - kaldet brydningsindeks. Denne brydningsindeks ændres, når det anvendes på koblede lasere, skaber et kontinuerligt frekvensskift til parrets midterfrekvens.

Til forsøg, forskerne fremstillede en række af 10 pi-koblede trådlasere. Laseren drives med kontinuerlig frekvensindstilling i et spænd på omkring 10 gigahertz, og en effekt på cirka 50 til 90 milliwatt, afhængigt af hvor mange pi-koblede laserpar, der er på arrayet. Strålen har en nærlysdivergens på 10 grader, hvilket er et mål for, hvor meget strålen afviger fra dens fokus over afstande.

Forskerne er også i øjeblikket ved at opbygge et system til billeddannelse med et højt dynamisk område - større end 110 decibel - som kan bruges i mange applikationer, f.eks. Billedbehandling af hudkræft. Hudkræftceller absorberer terahertz -bølger stærkere end raske celler, så terahertz -lasere potentielt kan opdage dem. Laserne, der tidligere blev brugt til opgaven, imidlertid, er massive og ineffektive, og ikke frekvensjusterbar. Forskernes enhed i chipstørrelse matcher eller overgår disse lasere i udgangseffekt, og tilbyder tuning muligheder.

"At have en platform med alle disse præstationsmålinger sammen ... kunne forbedre billedbehandlingskapaciteter betydeligt og udvide dets applikationer, "Siger Khalatpour.

"Dette er meget flot arbejde - i THz [-området] har det været meget svært at opnå høje effektniveauer fra lasere samtidig med gode strålemønstre, "siger Benjamin Williams, lektor i fysisk og bølgeelektronik ved University of California i Los Angeles. "Innovationen er den nye måde, de har brugt til at koble de flere trådlasere sammen. Det er vanskeligt, siden hvis alle lasere i arrayet ikke udstråler i fase, så vil strålemønsteret blive ødelagt. De har vist, at ved at placere tilstødende trådlasere korrekt mellemrum, de kan blive lokket til at 'ville' operere i en sammenhængende symmetrisk supermode - alt sammen udstråler sammen i låsetrin. Som en bonus, laserfrekvensen kan indstilles ... til den ønskede bølgelængde - en vigtig funktion for spektroskopi og ... for astrofysik. "

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.