Het terahertz-frequentiebereik - dat zich in het midden van het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en infraroodlicht bevindt - biedt het potentieel voor communicatie met hoge bandbreedte, beeldvorming met ultrahoge resolutie, nauwkeurige langeafstandsdetectie voor radioastronomie, en nog veel meer.

Maar dit deel van het elektromagnetische spectrum is voor de meeste toepassingen buiten bereik gebleven. Dat komt omdat de huidige bronnen van terahertz-frequenties omvangrijk zijn, inefficiënt, hebben beperkte afstemming, of moet bij lage temperatuur werken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met het Massachusetts Institute of Technology en het Amerikaanse leger, hebben een compacte, kamertemperatuur, breed afstembare terahertz laser.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

"Deze laser presteert beter dan elke bestaande laserbron in dit spectrale gebied en opent het, Voor de eerste keer, voor een breed scala aan toepassingen in wetenschap en technologie, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en co-senior auteur van het artikel.

"Er zijn veel behoeften aan een bron als deze laser, zaken als korte afstanden, draadloze communicatie met hoge bandbreedte, radar met zeer hoge resolutie, en spectroscopie, " zei Henry Everitt, senior technoloog bij het CCDC Aviation &Missile Center van het Amerikaanse leger en co-senior auteur van het artikel.

Everitt is ook een adjunct-hoogleraar natuurkunde aan de Duke University.

Hoewel de meeste elektronische of optische terahertz-bronnen grote, inefficiënt, en complexe systemen om de ongrijpbare frequenties te produceren met een beperkt afstembereik, Capasso, Evert, en hun team koos een andere aanpak.

Om te begrijpen wat ze deden, laten we wat basisfysica doornemen over hoe een laser werkt.

In de kwantumfysica, geëxciteerde atomen of moleculen zitten op verschillende energieniveaus - beschouw deze als verdiepingen van een gebouw. In een typische gaslaser, een groot aantal moleculen zit gevangen tussen twee spiegels en wordt op een opgewonden energieniveau gebracht, oftewel een hogere verdieping in het gebouw. Als ze die verdieping bereiken, ze vergaan, één energieniveau naar beneden vallen, en zendt een foton uit. Deze fotonen stimuleren het verval van meer moleculen terwijl ze heen en weer kaatsen, waardoor het licht wordt versterkt. Om de frequentie van de uitgezonden fotonen te wijzigen, je moet het energieniveau van de opgewonden moleculen veranderen.

Dus, hoe verander je het energieniveau? Een manier is om licht te gebruiken. In een proces dat optisch pompen wordt genoemd, licht tilt moleculen van een lager energieniveau naar een hoger energieniveau, zoals een kwantumlift. Eerdere terahertz moleculaire lasers gebruikten optische pompen, maar ze waren beperkt in hun afstembaarheid tot slechts een paar frequenties, wat betekent dat de lift maar naar een klein aantal verdiepingen ging.

De doorbraak van dit onderzoek is dat Capasso, Evert, en hun team gebruikten een zeer afstembare, quantum-cascade laser (QCL) als hun optische pomp. Deze krachtige, draagbare lasers, mede uitgevonden door Capasso en zijn groep bij Bell Labs in de jaren negentig, zijn in staat om op efficiënte wijze breed afstembaar licht te produceren. Met andere woorden, deze kwantumlift kan op elke verdieping in het gebouw stoppen.

De theorie om de werking van de nieuwe laser te optimaliseren is ontwikkeld door Steven Johnson, hoogleraar toegepaste wiskunde en natuurkunde aan het MIT, en zijn afgestudeerde student Fan Wang.

De onderzoekers combineerden de kwantum-cascade-laserpomp met een lachgas-laser.

"Door de laserholte en lenzen te optimaliseren, we waren in staat om frequenties te produceren die bijna 1 terahertz overspannen, " zei Arman Amirzhan, een afgestudeerde student in Capasso's groep en co-auteur van het papier.

"Moleculaire THz-lasers gepompt door een kwantumcascadelaser bieden een hoog vermogen en een breed afstembereik in een verrassend compact en robuust ontwerp, " zei Nobelprijswinnaar Theodor Hänsch van het Max-Planck Institute for Quantum Optics in München, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Dergelijke bronnen zullen nieuwe toepassingen ontsluiten, van detectie tot fundamentele spectroscopie."

"Het spannende is dat het concept universeel is, " zei Paul Chevalier, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Met behulp van dit kader, je zou een terahertz-bron kunnen maken met een gaslaser van bijna elk molecuul en de toepassingen zijn enorm."

"Dit resultaat is uniek, "zei Capasso. "Mensen wisten eerder hoe ze een terahertz-laser moesten maken, maar konden er geen breedband van maken. Pas toen we deze samenwerking begonnen, na een toevallige ontmoeting met Henry op een conferentie, dat we de verbinding konden maken dat je een breed afstembare pomp zoals de kwantum-cascadelaser zou kunnen gebruiken."

Deze laser kan in alles worden gebruikt, van verbeterde beeldvorming van huid en borstkanker tot medicijndetectie, vliegveld beveiliging, en optische draadloze verbindingen met ultrahoge capaciteit.

"Ik ben vooral enthousiast over de mogelijkheid om deze laser te gebruiken om het interstellaire medium in kaart te brengen, " zei Everitt. "Moleculen hebben unieke spectrale vingerafdrukken in het terahertz-gebied, en astronomen zijn al begonnen deze vingerafdrukken te gebruiken om de samenstelling en temperatuur van deze oorspronkelijke wolken van gas en stof te meten. Een betere bron van terahertzstraling op de grond, zoals onze laser, zal deze metingen nog gevoeliger en nauwkeuriger maken."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.