Optische frequentiekammen worden veel gebruikt, zeer nauwkeurige instrumenten voor het meten en detecteren van verschillende frequenties, ook wel bekend als kleuren - van licht. In tegenstelling tot conventionele lasers, die een enkele frequentie uitzenden, deze lasers zenden meerdere frequenties tegelijk uit. De gelijkmatig verdeelde frequenties lijken op de tanden van een kam. Optische frequentiekammen worden voor alles gebruikt, van het meten van de vingerafdrukken van specifieke moleculen tot het detecteren van verre exoplaneten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) onderzoeken de mogelijkheid om een ​​infraroodfrequentiekam te gebruiken om ongrijpbare terahertz-frequenties te genereren. Deze frequenties - die in het elektromagnetische spectrum tussen radiogolven en infrarood licht liggen - hebben lang beloofd de communicatie en waarneming te transformeren, maar het is een grote uitdaging om te vinden. Door gebruik te maken van een recent ontdekte laserstaat, SEAS-onderzoekers hebben een infraroodfrequentiekam ontdekt in een kwantumcascadelaser die een nieuwe manier biedt om terahertz-frequenties te genereren.

Nagesynchroniseerd met een harmonische frequentiekam, dit nieuwe systeem produceert een spectrum van tanden met een tussenruimte die tientallen keren groter is dan bij traditionele frequentiekammen. Door de grote maar precieze afstand kunnen deze lichtmodi samensmelten om extreem pure terahertz-tonen te produceren.

Het onderzoek is beschreven in Natuurfotonica .

"De ontdekking van de harmonische toestand van kwantumcascadelasers is verrassend vanuit het oogpunt van laserfysica, " zei Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering en senior auteur van het artikel. "Tot voor kort, men dacht dat multimode lasers normaal gesproken op alle mogelijke frequenties van de holte zouden laseren. In de harmonische toestand, veel holtefrequenties worden overgeslagen. Nog opmerkelijker is dat deze ontdekking onvoorziene mogelijkheden opent in ongebruikte gebieden van het elektromagnetische spectrum, de terahertz."

In traditionele frequentiekammen, tanden worden gescheiden door een kleine frequentie die wordt bepaald door de karakteristieke lengte van de laserholte, wat betekent dat tanden dicht bij elkaar zitten. De harmonische frequentiekam, echter, kan een groter veelvoud van die frequentie gebruiken.

"Met dit nieuwe kamregime kunnen we de strikte beperkingen van de holtelengte omzeilen en een ongekende mate van flexibiliteit bereiken op het gebied van kwantumcascadelaserfrequentiekammen, " zei Marco Piccardo, een postdoctoraal onderzoeker in het Capasso-lab en co-eerste auteur van het artikel.

De sleutel tot het onderzoek was het bewijs dat deze grotendeels uit elkaar geplaatste tanden inderdaad op gelijke afstand stonden. Met behulp van een andere referentiekam, het team was in staat om het harmonische frequentiekamspectrum met een zeer hoge resolutie te bestuderen.

"We laten zien dat de lijnen equidistant zijn met een onzekerheid van slechts 300 hertz, die de relatieve precisie van deze meting kwantificeert tot vijf delen per biljoen, " zei Dmitry Kazakov, een gastonderzoeker in de Capasso-groep en co-eerste auteur van het artikel. "Het is alsof je de afstand van de aarde tot de maan zou kunnen meten en er minder dan de dikte van een mensenhaar van af zou zijn."

De meeste huidige terahertz-generatoren gebruiken grote, complexe optische systemen die werken bij temperaturen van bijna nul om terahertz-frequenties te produceren. De harmonische frequentiekam werkt bij kamertemperatuur, maakt gebruik van commerciële kwantumcascadelasers, en is zelfstartend, wat betekent dat de laser automatisch kan overschakelen naar dit regime wanneer elektrische stroom in het apparaat wordt geïnjecteerd.

"Dit opent volledig nieuwe toepassingen voor frequentiekammen, vooral in draadloze communicatie, Capasso zei. "We voorzien dat in de nabije toekomst dit kamregime een nieuwe klasse van chipschaalmodems mogelijk zal maken die op terahertz-frequenties werken, tegemoet te komen aan de steeds toenemende vraag van de consument naar digitale communicatie met hoge datasnelheid."