Onzichtbaar voor het menselijk oog, terahertz elektromagnetische golven kunnen alles 'doorzien', van mist en wolken tot hout en metselwerk - een eigenschap die veelbelovend is voor astrofysisch onderzoek, het detecteren van verborgen explosieven en vele andere toepassingen.

Terahertz-lasers kunnen fotonen produceren met frequenties van biljoenen cycli per seconde - energieën tussen die van infrarood- en microgolffotonen. Deze fotonen, echter, zijn notoir moeilijk te genereren - en dat is waar UCLA universitair hoofddocent elektrotechniek Benjamin Williams binnenkomt. Hij en zijn onderzoeksgroep aan de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science zijn hard aan het werk om "een van de laatste grenzen van de elektromagnetische spectrum, ’, zoals Williams het beschrijft.

De meeste optische en infrarode lasers werken door elektronen die overgaan tussen twee energieniveaus in een halfgeleiderkristal en een foton uitzenden. Echter, dit proces is niet zo gemakkelijk uit te breiden tot het terahertz-bereik.

"Als je terahertzstraling wilt maken, je hebt een zeer energiezuinig foton nodig, dus je hebt twee energieniveaus nodig die heel dicht bij elkaar liggen, en dat is moeilijk te doen met de halfgeleiders die de natuur ons geeft, " zei Willems.

In plaats daarvan produceren hij en zijn medewerkers van het Terahertz Devices and Intersubband Nanostructures Laboratory terahertz-fotonen door kunstmatige materialen te ontwerpen die de energieniveaus van atomen nabootsen. Deze zogenaamde "kwantumcascadelasers" worden gemaakt door verschillende halfgeleiders in lagen te rangschikken - sommige slechts een paar atomen dik - om kwantumbronnen te vormen. Kwantumbronnen zijn als kleine "dozen" die elektronen opsluiten tot bepaalde energieniveaus die door het ontwerp zijn gekozen. Als een elektron overgaat tussen verschillende energieniveaus, het zendt fotonen uit. Een enkel elektron kan tussen de vele kwantumbronnen in een kwantumcascadelaser vallen en de emissie van meerdere terahertz-fotonen veroorzaken, waardoor een krachtige laserstraal wordt geproduceerd. Een ander voordeel van kwantumcascadelasers is dat de frequentie van de uitgezonden fotonen kan worden gemoduleerd.

"In plaats van je te beperken tot de band gap die de natuur je geeft, we kunnen de breedte van deze kwantumputten veranderen om de effectieve bandafstand te kiezen [en de frequentie van de fotonen te veranderen]. Dat is een heel krachtig concept, " zei Willems.

Hoewel kwantumcascadelasers zowel krachtig als afstembaar zijn in frequentie, een belangrijk nadeel was hun dimlichtkwaliteit.

"Denk aan een laserpointer, die een zeer mooie straal heeft, "Williams zei. "De straal gaat waar je wilt, en het lijkt me een mooi plekje. Je verspilt het licht niet."

Terahertz-lasers, anderzijds, hebben vaak bundels die sterk divergeren, wat betekent dat de lichtstraal zich uitbreidt en daardoor minder krachtig wordt. In sommige gevallen, de straal van een terahertz-laser divergeert zo veel dat slechts 0,1 procent daarvan terechtkomt waar hij oorspronkelijk bedoeld was.

Een belangrijke prestatie van het laboratorium van Williams is het creëren van een type terahertz-kwantumcascadelaser die zowel een uitstekend bundelpatroon als een hoog vermogen bezit.

"Onze innovatie was om een ​​kunstmatig oppervlak te maken dat bestaat uit heel veel kleine laserantennes [metalen structuren die elk functioneren als een kwantumcascadeversterker]. Het netto-effect is een spiegel die terahertz-licht reflecteert terwijl het versterkt en tegelijkertijd focust. tijd, " zei Williams. "We geloven dat dit vermogen ons in staat zal stellen lasers te maken die bijna alle eigenschappen van het licht beheersen - de golflengte, amplitude, fase, en polarisatie."

Williams en zijn team onderzoeken ook hoe kwantumcascadelasers kunnen worden ontworpen om bij kamertemperatuur te werken. Momenteel, wetenschappers moeten hun lasers afkoelen tot 77 Kelvin (-321°F), een stap die het gebruik van de lasers buiten een laboratorium beperkt. Nutsvoorzieningen, Williams onderzoekt het bouwen van die lasers met behulp van quantum dots in plaats van quantum wells. Terwijl kwantumbronnen de beweging van elektronen in slechts één dimensie beperken, kwantumstippen beperken hun beweging in alle drie de dimensies. Er wordt voorspeld dat de extra opsluiting in kwantumstippen de hoeveelheid elektronen die wordt verstrooid drastisch zal verminderen. waardoor deze lasers bij kamertemperatuur zouden kunnen werken.

"We werken momenteel samen met Diana Huffaker [hoogleraar elektrotechniek aan de UCLA], die kwantumstippen kweekt, "Zei Williams. "[Haar werk] zou ons in staat stellen om dezelfde soorten kwantumtechniek te doen met kwantumstippen die we momenteel doen met kwantumbronnen."