Terahertz-straling - de band van het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en zichtbaar licht - heeft veelbelovende toepassingen in medische en industriële beeldvorming en chemische detectie, onder andere gebruik.

Maar veel van die toepassingen zijn afhankelijk van kleine, energie-efficiënte bronnen van terahertz-stralen, en de standaardmethode om ze te produceren omvat een omvangrijk, machtshongerig, tafelmodel apparaat.

Al meer dan 20 jaar, Qing Hu, een vooraanstaande professor in elektrotechniek en informatica aan het MIT, en zijn groep hebben gewerkt aan bronnen van terahertz-straling die op microchips kunnen worden geëtst. In het laatste nummer van Natuurfotonica , leden van Hu's groep en collega's van Sandia National Laboratories en de Universiteit van Toronto beschrijven een nieuw ontwerp dat het vermogen van op een chip gemonteerde terahertz-lasers met 80 procent verhoogt.

Als de best presterende op een chip gemonteerde terahertz-bron die tot nu toe is gerapporteerd, het apparaat van de onderzoekers is door NASA geselecteerd om terahertz-emissie te leveren voor zijn Galactic / Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO) -missie. De missie is bedoeld om de samenstelling van het interstellaire medium te bepalen, of de materie die de ruimte tussen de sterren vult, en het gebruikt terahertz-stralen omdat ze bij uitstek geschikt zijn voor spectroscopische meting van zuurstofconcentraties. Omdat de missie met instrumenten beladen ballonnen naar de bovenste atmosfeer van de aarde zal sturen, de terahertz-straler moet lichtgewicht zijn.

Het ontwerp van de onderzoekers is een nieuwe variatie op een apparaat dat een kwantumcascadelaser wordt genoemd met gedistribueerde feedback. "We zijn hiermee begonnen omdat het de beste was die er was, " zegt Ali Khalatpour, een afgestudeerde student in elektrotechniek en informatica en eerste auteur op het papier. "Het heeft de optimale prestaties voor terahertz."

Tot nu, echter, het apparaat heeft een groot nadeel gehad, dat is dat het van nature straling uitzendt in twee tegengestelde richtingen. Aangezien de meeste toepassingen van terahertzstraling gericht licht vereisen, dat betekent dat het apparaat de helft van zijn energie-output verspilt. Khalatpour en zijn collega's hebben een manier gevonden om 80 procent van het licht dat gewoonlijk de achterkant van de laser verlaat om te leiden, zodat het in de gewenste richting gaat.

Zoals Khalatpour uitlegt, het ontwerp van de onderzoekers is niet gebonden aan een bepaald "versterkingsmedium, " of combinatie van materialen in het lichaam van de laser.

"Als we een beter gain-medium bedenken, we kunnen het uitgangsvermogen verdubbelen, te, " zegt Khalatpour. "We hebben het vermogen vergroot zonder een nieuw actief medium te ontwerpen, wat best moeilijk is. Gebruikelijk, zelfs een stijging van 10 procent vereist veel werk in elk aspect van het ontwerp."

Grote golven

In feite, bidirectionele emissie, of emissie van licht in tegengestelde richtingen, is een gemeenschappelijk kenmerk van veel laserontwerpen. Met conventionele lasers, echter, het is gemakkelijk te verhelpen door een spiegel over het ene uiteinde van de laser te plaatsen.

Maar de golflengte van terahertzstraling is zo lang, en de nieuwe lasers van de onderzoekers - bekend als fotonische draadlasers - zijn zo klein, dat een groot deel van de elektromagnetische golf die zich over de lengte van de laser voortplant, feitelijk buiten het lichaam van de laser ligt. Een spiegel aan het ene uiteinde van de laser zou een klein deel van de totale energie van de golf terugkaatsen.

De oplossing van Khalatpour en zijn collega's voor dit probleem maakt gebruik van een eigenaardigheid van het ontwerp van de kleine laser. Een kwantumcascadelaser bestaat uit een lange rechthoekige rand die een golfgeleider wordt genoemd. In de golfgeleider materialen zijn zo gerangschikt dat het aanleggen van een elektrisch veld een elektromagnetische golf over de lengte van de golfgeleider induceert.

Deze golf, echter, is wat een "staande golf" wordt genoemd. Als een elektromagnetische golf kan worden gezien als een regelmatige op-en-neer kronkel, dan reflecteert de golf heen en weer in de golfgeleider op een zodanige manier dat de toppen en dalen van de reflecties perfect samenvallen met die van de golven die in de tegenovergestelde richting bewegen. Een staande golf is in wezen inert en straalt niet uit de golfgeleider.

Dus de groep van Hu snijdt regelmatig op afstand van elkaar liggende spleten in de golfgeleider, waardoor terahertz-stralen kunnen uitstralen. "Stel je voor dat je een pijp hebt, en je maakt een gat, en het water loopt weg, " zegt Khalatpour. De spleten zijn zo uit elkaar geplaatst dat de golven die ze uitzenden elkaar versterken - hun toppen vallen samen - alleen langs de as van de golfgeleider. Bij meer schuine hoeken vanaf de golfgeleider, ze heffen elkaar op.

Doorbreken van symmetrie

In het nieuwe werk Khalatpour en zijn co-auteurs - Hu, John Reno van Sandia, en Nazir Kherani, een professor in materiaalkunde aan de Universiteit van Toronto - plaats gewoon reflectoren achter elk van de gaten in de golfgeleider, een stap die naadloos kan worden opgenomen in het productieproces dat de golfgeleider zelf produceert.

De reflectoren zijn breder dan de golfgeleider, en ze zijn zo uit elkaar geplaatst dat de straling die ze weerkaatsen de terahertz-golf in de ene richting zal versterken, maar in de andere opheft. Een deel van de terahertz-golf die buiten de golfgeleider ligt, komt nog steeds rond de reflectoren, maar 80 procent van de energie die de golfgeleider in de verkeerde richting zou hebben verlaten, wordt nu de andere kant op gestuurd.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.