Het vermogen om licht om te zetten in een intense straal monochromatische straling in een laser heeft al meer dan vijftig jaar een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we leven en werken. Tot de vele toepassingen behoren ultrasnelle datacommunicatie met hoge capaciteit, productie, chirurgie, streepjescodescanners, printers, zelfrijdende technologie en spectaculaire laserlichtschermen. Lasers vinden ook hun weg naar atomaire en moleculaire spectroscopie die in verschillende takken van wetenschap wordt gebruikt, evenals voor de detectie en analyse van een breed scala aan chemicaliën en biomoleculen.

Lasers kunnen worden ingedeeld op basis van hun emissiegolflengte binnen het elektromagnetische spectrum, waarvan zichtbaar licht lasers, zoals die in laserpointers, slechts een klein onderdeel vormen. Infraroodlasers worden gebruikt voor optische communicatie via vezels. Ultraviolette lasers worden gebruikt voor oogchirurgie. En dan zijn er terahertz lasers, die het onderwerp zijn van onderzoek bij de onderzoeksgroep van Sushil Kumar, een universitair hoofddocent Electrical and Computer Engineering aan de Lehigh University.

Terahertz-lasers zenden straling uit die tussen microgolven en infrarood licht langs het elektromagnetische spectrum zit. Hun straling kan doordringen in gangbare verpakkingsmaterialen zoals kunststoffen, stoffen en karton, en zijn ook opmerkelijk effectief bij optische detectie en analyse van een grote verscheidenheid aan chemicaliën. Deze lasers kunnen worden gebruikt bij niet-destructieve screening en detectie van verpakte explosieven en illegale drugs, evaluatie van farmaceutische verbindingen, screening op huidkanker en zelfs de studie van ster- en melkwegvorming.

Toepassingen zoals optische spectroscopie vereisen dat de laser straling uitzendt met een precieze golflengte, wat meestal wordt bereikt door een techniek te implementeren die bekend staat als 'gedistribueerde feedback'. Dergelijke apparaten worden single-mode lasers genoemd. Het vereisen van single-mode werking is vooral belangrijk voor terahertz-lasers, omdat hun belangrijkste toepassingen in terahertz-spectroscopie zullen zijn. Terahertz-lasers bevinden zich nog in een ontwikkelingsfase en onderzoekers over de hele wereld proberen hun prestatiekenmerken te verbeteren om te voldoen aan de voorwaarden die ze commercieel levensvatbaar zouden maken.

Zoals het zich voortplant, terahertz-straling wordt geabsorbeerd door de luchtvochtigheid. Daarom, een belangrijke vereiste voor dergelijke lasers is een intense straal, zodat deze kan worden gebruikt voor optische detectie en analyse van stoffen die op een afstand van enkele meters of meer worden gehouden, en niet worden geabsorbeerd. Hiertoe, Het onderzoeksteam van Kumar is gericht op het verbeteren van hun intensiteit en helderheid, gedeeltelijk haalbaar door het optische uitgangsvermogen te vergroten.

In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , het Lehigh-team - onder toezicht van Kumar in samenwerking met Sandia National Laboratories - rapporteerde over een eenvoudige maar effectieve techniek om het vermogen te verbeteren van single-mode lasers die "oppervlakte-emitterend" zijn (in tegenstelling tot lasers die een "edge-emitting" gebruiken configuratie). Van de twee soorten, de oppervlakte-emitterende configuratie voor halfgeleiderlasers biedt onderscheidende voordelen in hoe de lasers kunnen worden geminiaturiseerd, verpakt en getest voor commerciële productie.

Het gepubliceerde onderzoek beschrijft een nieuwe techniek waarmee een specifiek type periodiciteit wordt geïntroduceerd in de optische holte van de laser, waardoor het fundamenteel een straal van goede kwaliteit kan uitstralen met een verhoogde stralingsefficiëntie, waardoor de laser krachtiger wordt. De auteurs noemen hun schema een "hybride tweede- en vierde-orde Bragg-rooster" (in tegenstelling tot een tweede-orde Bragg-rooster voor de typische oppervlakte-emitterende laser, variaties daarvan zijn al bijna drie decennia in een grote verscheidenheid aan lasers gebruikt). De auteurs beweren dat hun hybride roosterschema niet beperkt is tot terahertz-lasers en mogelijk de prestaties van een brede klasse van oppervlakte-emitterende halfgeleiderlasers die bij verschillende golflengten emitteren, zou kunnen verbeteren.

Het rapport bespreekt experimentele resultaten voor een monolithische single-mode terahertz-laser met een vermogen van 170 milliwatt, wat tot nu toe de krachtigste is voor een dergelijke klasse lasers. Het onderzoek toont onomstotelijk aan dat het zogenaamde hybride rooster in staat is om de laser op een specifieke gewenste golflengte te laten emitteren door een eenvoudige wijziging in de periodiciteit van het ingeprinte rooster in de laserholte met behoud van de bundelkwaliteit. Kumar stelt dat vermogensniveaus van één watt en meer haalbaar moeten zijn met toekomstige aanpassingen van hun techniek - wat misschien wel de drempel is die de industrie moet overwinnen om kennis te nemen en over te stappen op mogelijke commercialisering van op terahertz-lasergebaseerde instrumenten.