Ooit het favoriete wapen van gekken uit B-films en helden uit de ruimtefictie, de laser - een apparaat dat een intense bundel coherente elektromagnetische straling genereert door de emissie van fotonen van geëxciteerde atomen of moleculen te stimuleren - is de laatste tijd een beetje gedomesticeerd geworden.

Tegenwoordig, het heeft een vaste baan in de industrie, en besteedt zijn vrije tijd aan het afdrukken van documenten in thuiskantoren en het afspelen van films in thuisbioscopen. Hier en daar duikt het op in medische tijdschriften en militair nieuws, maar het is in feite teruggebracht tot het lezen van streepjescodes aan de kassa van de supermarkt - een technologie die zijn mojo heeft verloren.

Maar lasers zijn nog steeds cool, dringt er bij Sushil Kumar van de Lehigh University op aan, met een enorm potentieel voor innovatie dat we net zijn begonnen aan te boren. En met steun van de National Science Foundation (NSF), hij is op een missie om het te bewijzen.

Kumar, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek, richt zich specifiek op lasers die voortkomen uit een relatief onbenut gebied in het elektromagnetische spectrum, de terahertz (THz), of ver infrarood, frequentie. Een onderzoeker in de voorhoede van THz halfgeleider 'quantum-cascade' lasertechnologie, hij en zijn collega's hebben wereldrecordresultaten gepubliceerd voor gebruik bij hoge temperaturen en andere belangrijke prestatiekenmerken van dergelijke lasers.

Zijn doel is om apparaten te ontwikkelen die een breed scala aan mogelijke toepassingen mogelijk maken:chemische en biologische detectie, spectroscopie, opsporing van explosieven en ander smokkelwaar, ziekte diagnose, kwaliteitscontrole in geneesmiddelen, en zelfs teledetectie in de astronomie om de vorming van sterren en sterrenstelsels te begrijpen, om er een paar te noemen. (Best coole dingen... de mensen achter de kassa zouden onder de indruk zijn.)

Maar ondanks de bekende voordelen, Kumar zegt dat terahertz-lasers onderbenut en onderontwikkeld zijn; hoge kosten en functionele beperkingen hebben de innovatie gedwarsboomd die tot dergelijk gebruik zou leiden. Kumar, echter, gelooft dat hij op schema ligt om de kracht van THz-lasertechnologie echt te ontketenen; hij ontving onlangs een beurs van de NSF, Fasevergrendelde arrays van krachtige terahertz-lasers met ultrasmalle bundels, met als doel THz-lasers te creëren die veel grotere optische intensiteiten produceren dan momenteel mogelijk is - en mogelijk belemmeringen voor grootschalig onderzoek en commerciële acceptatie weg te nemen.

Focussen op een oplossing

Volgens Kumar, het terahertz-gebied van het elektromagnetische spectrum is aanzienlijk onderontwikkeld vanwege een gebrek aan krachtige stralingsbronnen. Bestaande bronnen hebben een laag uitgangsvermogen en andere ongewenste spectrale eigenschappen waardoor ze ongeschikt zijn voor serieuze toepassingen. Zijn huidige project heeft tot doel terahertz-halfgeleiderlasers te ontwikkelen met een precieze emissiefrequentie van maximaal 100 milliwatt gemiddeld optisch vermogen - een verbetering van twee ordes van grootte ten opzichte van de huidige technologie - in een smalle straal met aanzienlijk minder dan vijf graden hoekdivergentie.

Kumar werkt met quantum cascade lasers (QCL's). Deze apparaten zijn oorspronkelijk uitgevonden voor het uitzenden van midden-infraroodstraling. Ze zijn pas onlangs begonnen een stempel te drukken op THz-frequenties, en in dat bereik hebben ze te maken met een aantal extra uitdagingen. In deze hypermoderne omgeving Kumar's groep behoort tot een select gezelschap in de wereld dat vooruitgang boekt in de richting van een levensvatbare en goedkope productie van deze lasers.

De beoogde aanpak van Kumar zal het uitgangsvermogen en de straalkwaliteit van QCL's aanzienlijk verbeteren. Een draagbare, elektrisch bediende cryokoeler zorgt voor de vereiste temperatuurkoeling voor de halfgeleiderlaserchips; deze zullen fasevergrendelde QCL-arrays bevatten die uitzenden op een reeks discrete terahertz-frequenties die worden bepaald door de gewenste toepassing.

In eerder werk, Kumar en zijn groep toonden aan dat THz-lasers (uitstralend op een golflengte van ongeveer 100 micron) een gefocuste lichtstraal kunnen uitzenden door gebruik te maken van een techniek die gedistribueerde feedback wordt genoemd. De lichtenergie in hun laser is opgesloten in een holte die is ingeklemd tussen twee metalen platen, gescheiden door een afstand van 10 micron. Met behulp van een doosvormige holte van 10 micron bij 100 micron bij 1, 400 micron (1,4 millimeter), de groep produceerde een terahertz-laser met een straaldivergentiehoek van slechts 4 graden bij 4 graden, de smalste divergentie die tot nu toe is bereikt voor dergelijke terahertz-lasers.

Kumar gelooft dat de meeste bedrijven die momenteel mid-infraroodlasers gebruiken, geïnteresseerd zouden zijn in krachtige, betaalbare terahertz QCL's, en dat de technologie zelf nieuwe oplossingen zal voortbrengen.

"De iPhone moest bestaan ​​voordat ontwikkelaars de 'killer-apps' konden schrijven die er een huishoudelijk product van maakten, "zegt hij. "Op dezelfde manier, we werken aan een technologie waarmee toekomstige onderzoekers de wereld kunnen veranderen op manieren die nog moeten worden overwogen."