Forskere genererer terahertz-laser med lattergas

I den elektromagnetiske mellemting mellem mikrobølger og synligt lys ligger terahertz-stråling, og løftet om "T-ray vision."

Terahertz-bølger har frekvenser højere end mikrobølger og lavere end infrarødt og synligt lys. Hvor optisk lys er blokeret af de fleste materialer, terahertz-bølger kan passere lige igennem, ligner mikrobølger. Hvis de blev lavet til lasere, terahertz-bølger kan muliggøre "T-ray vision, "med evnen til at se gennem tøj, bogomslag, og andre tynde materialer. Sådan teknologi kunne producere sprøde, billeder i højere opløsning end mikrobølger, og være langt sikrere end røntgenstråler.

Grunden til at vi ikke ser T-ray maskiner i, for eksempel, lufthavnssikkerhedslinjer og medicinske billedbehandlingsfaciliteter er, at produktion af terahertz-stråling kræver meget store, omfangsrige opsætninger eller enheder, der producerer terahertz-stråling ved en enkelt frekvens - ikke særlig nyttige, givet, at der kræves en bred vifte af frekvenser for at trænge igennem forskellige materialer.

Nu forskere fra MIT, Harvard Universitet, og den amerikanske hær har bygget en kompakt enhed, på størrelse med en skoæske, der producerer en terahertz-laser, hvis frekvens de kan tune over et bredt område. Enheden er bygget af kommercielle, hyldevaredele og er designet til at generere terahertz-bølger ved at spinde energien fra molekyler i dinitrogenoxid op, eller, som det er mere almindeligt kendt, lattergas.

Steven Johnson, professor i matematik ved MIT, siger, at ud over T-strålesyn, terahertz-bølger kan bruges som en form for trådløs kommunikation, transportere information med en højere båndbredde end radar, for eksempel, og gør det på tværs af afstande, som videnskabsmænd nu kan indstille ved hjælp af gruppens enhed.

"Ved at indstille terahertz-frekvensen, du kan vælge, hvor langt bølgerne kan rejse gennem luften, før de absorberes, fra meter til kilometer, som giver præcis kontrol over, hvem der kan 'høre' din terahertz-kommunikation eller 'se' din terahertz-radar, " siger Johnson. "På samme måde som at skifte urskiven på din radio, evnen til nemt at indstille en terahertz-kilde er afgørende for at åbne nye applikationer inden for trådløs kommunikation, radar, og spektroskopi."

Johnson og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Videnskab . Medforfattere inkluderer MIT postdoc Fan Wang, sammen med Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, og Federico Capasso fra Harvard University, og Henry Everitt fra U.S. Army Combat Capabilities Development Command Aviation and Missile Center.

Molekylært åndedrætsrum

Siden 1970'erne, forskere har eksperimenteret med at generere terahertz-bølger ved hjælp af molekylære gaslasere - opstillinger, hvor en kraftig infrarød laser skydes ind i et stort rør fyldt med gas (typisk methylfluorid), hvis molekyler reagerer ved at vibrere og til sidst rotere. De roterende molekyler kan hoppe fra et energiniveau til det næste, hvis forskel udsendes som en slags restenergi, i form af en foton i terahertz-området. Efterhånden som flere fotoner opbygges i hulrummet, de producerer en terahertz-laser.

Forbedring af designet af disse gaslasere er blevet hæmmet af upålidelige teoretiske modeller, siger forskerne. I små hulrum ved højt gastryk, modellerne forudsagde, at ud over et vist pres, molekylerne ville være for "trange" til at dreje og udsende terahertz-bølger. Dels af denne grund, terahertz gaslasere brugte typisk meterlange hulrum og store infrarøde lasere.

Imidlertid, i 1980'erne, Everitt fandt ud af, at han var i stand til at producere terahertz-bølger i sit laboratorium ved hjælp af en gaslaser, der var meget mindre end traditionelle enheder, ved tryk langt højere end modellerne sagde var muligt. Denne uoverensstemmelse blev aldrig fuldstændig forklaret, og arbejdet med terahertz-gaslasere faldt af vejen til fordel for andre tilgange.

Et par år siden, Everitt nævnte dette teoretiske mysterium for Johnson, da de to samarbejdede om andet arbejde som en del af MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies. Sammen med Everitt, Johnson og Wang tog udfordringen op, og i sidste ende formulerede en ny matematisk teori til at beskrive opførselen af ​​en gas i et molekylær gaslaserhulrum. Teorien forklarede også med succes, hvordan terahertz-bølger kunne udsendes, selv fra meget lille, højtryks hulrum.

Johnson siger, at mens gasmolekyler kan vibrere ved flere frekvenser og rotationshastigheder som reaktion på en infrarød pumpe, Tidligere teorier diskonterede mange af disse vibrationstilstande og antog i stedet, at en håndfuld vibrationer var det, der i sidste ende betød noget for at producere en terahertz-bølge. Hvis et hulrum var for lille, tidligere teorier antydede, at molekyler, der vibrerede som reaktion på en indkommende infrarød laser, ville kollidere oftere med hinanden, frigiver deres energi i stedet for at bygge den yderligere op for at spinde og producere terahertz.

I stedet, den nye model sporede tusindvis af relevante vibrations- og rotationstilstande blandt millioner af grupper af molekyler i et enkelt hulrum, ved at bruge nye beregningstricks til at gøre et så stort problem løst på en bærbar computer. Det analyserede derefter, hvordan disse molekyler ville reagere på indkommende infrarødt lys, afhængigt af deres position og retning i hulrummet.

"Vi fandt ud af, at når man inkluderer alle disse andre vibrationstilstande, som folk havde smidt ud, de giver dig en buffer, " siger Johnson. "I enklere modeller, molekylerne roterer, men når de slår ind i andre molekyler, mister de alt. Når du inkluderer alle disse andre stater, det sker ikke længere. Disse kollisioner kan overføre energi til andre vibrationstilstande, og på en måde give dig mere pusterum til at blive ved med at rotere og blive ved med at lave terahertz-bølger."

griner, ringes op

Da holdet fandt ud af, at deres nye model nøjagtigt forudsagde, hvad Everitt observerede for årtier siden, de samarbejdede med Capassos gruppe på Harvard om at designe en ny type kompakt terahertz-generator ved at kombinere modellen med nye gasser og en ny type infrarød laser.

For den infrarøde kilde, forskerne brugte en kvantekaskadelaser, eller QCL - en nyere type laser, der er kompakt og også kan indstilles.

"Du kan dreje på en skive, og det ændrer frekvensen af ​​inputlaseren, og håbet var, at vi kunne bruge det til at ændre frekvensen af ​​terahertz, der kommer ud, " siger Johnson.

Forskerne gik sammen med Capasso, en pioner inden for udvikling af QCL'er, som leverede en laser, der producerede en række kraft, som deres teori forudsagde ville fungere med et hulrum på størrelse med en pen (ca. 1/1, 000 på størrelse med et konventionelt hulrum). Forskerne ledte derefter efter en gas, der kunne spinde op.

Holdet søgte gennem biblioteker af gasser for at identificere dem, der var kendt for at rotere på en bestemt måde som reaktion på infrarødt lys, lander til sidst på dinitrogenoxid, eller lattergas, som en ideel og tilgængelig kandidat til deres eksperiment.

De bestilte lattergas af laboratoriekvalitet, som de pumpede ind i et hulrum på størrelse med en kuglepen. Da de sendte infrarødt lys fra QCL ind i hulrummet, de fandt ud af, at de kunne producere en terahertz-laser. Da de tunede QCL, frekvensen af ​​terahertz-bølger skiftede også, over en bred vifte.

"Disse demonstrationer bekræfter det universelle koncept med en terahertz molekylær laserkilde, som kan justeres bredt over hele dens rotationstilstande, når den pumpes af en kontinuerligt indstillelig QCL, " siger Wang.

Siden disse indledende eksperimenter, forskerne har udvidet deres matematiske model til at omfatte en række andre gasmolekyler, såsom kulilte og ammoniak, at give videnskabsmænd en menu med forskellige terahertz-genereringsmuligheder med forskellige frekvenser og tuningområder, parret med en QCL matchet til hver gas. Gruppens teoretiske værktøjer gør det også muligt for forskere at skræddersy hulrumsdesignet til forskellige applikationer. De skubber nu mod mere fokuserede stråler og højere kræfter, med kommerciel udvikling i horisonten.

Johnson siger, at videnskabsmænd kan henvise til gruppens matematiske model for at designe nye, kompakte og afstembare terahertz-lasere, ved hjælp af andre gasser og eksperimentelle parametre.

"Disse gaslasere blev i lang tid set som gammel teknologi, og folk antog, at disse var enorme, lav strøm, uafstembare ting, så de så til andre terahertz-kilder, " siger Johnson. "Nu siger vi, at de kan være små, indstillelig, og meget mere effektivt. Du kunne passe denne i din rygsæk, eller i dit køretøj til trådløs kommunikation eller højopløsningsbilleder. For du vil ikke have en cyklotron i din bil."