Een terahertz-laser ontworpen door MIT-onderzoekers is de eerste die drie belangrijke prestatiedoelen tegelijk bereikt:hoog constant vermogen, strak straalpatroon, en brede afstemming van elektrische frequenties - en zou dus waardevol kunnen zijn voor een breed scala aan toepassingen in chemische detectie en beeldvorming.

De geoptimaliseerde laser kan worden gebruikt om interstellaire elementen te detecteren in een aanstaande NASA-missie die tot doel heeft meer te leren over de oorsprong van onze melkweg. Hier op aarde, de krachtige fotonische draadlaser kan ook worden gebruikt voor verbeterde beeldvorming van huid- en borstkanker, opsporen van drugs en explosieven, en nog veel meer.

Het nieuwe ontwerp van de laser combineert meerdere op halfgeleiders gebaseerde, efficiënte draadlasers en dwingt ze tot "phase lock, " of sync-oscillaties. Het combineren van de uitvoer van de paren langs de array produceert een enkele, krachtige bundel met minimale bundeldivergentie. Aanpassingen aan de individuele gekoppelde lasers zorgen voor een brede frequentie-afstemming om de resolutie en getrouwheid van de metingen te verbeteren. Het behalen van alle drie de prestatiestatistieken betekent minder ruis en een hogere resolutie, voor betrouwbaardere en kosteneffectievere chemische detectie en medische beeldvorming, zeggen de onderzoekers.

"Mensen hebben frequentieafstemming gedaan in lasers, of een laser gemaakt met een hoge straalkwaliteit, of met een hoog continu golfvermogen. Maar elk ontwerp mist in de andere twee factoren, " zegt Ali Khalatpour, een afgestudeerde student in elektrotechniek en informatica en eerste auteur van een paper waarin de laser wordt beschreven, vandaag gepubliceerd in Natuurfotonica . "Dit is de eerste keer dat we alle drie de meetwaarden tegelijkertijd hebben bereikt in op chips gebaseerde terahertz-lasers."

"Het is als 'één ring om ze allemaal te regeren, '" Khalatpour voegt toe, verwijzend naar de populaire uitdrukking from In de ban van de Ring .

Deelnemen aan Khalatpour op het papier zijn:Qing Hu, een vooraanstaande professor in elektrotechniek en informatica aan het MIT die baanbrekend werk heeft verricht op het gebied van terahertz-kwantumcascadelasers; en John L. Reno van de Sandia National Laboratories.

Geselecteerd door NASA

Vorig jaar, NASA heeft het Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO) aangekondigd, een missie in 2021 om een ​​ballontelescoop op grote hoogte te sturen met fotonische draadlasers voor het detecteren van zuurstof, koolstof, en stikstofemissies van het "interstellaire medium, " het kosmische materiaal tussen sterren. Uitgebreide gegevens verzameld over een paar maanden zullen inzicht geven in de geboorte en evolutie van sterren, en help meer van de Melkweg en nabijgelegen sterrenstelsels van de Grote Magelhaense Wolk in kaart te brengen.

Voor een onderdeel van de GUSTO chemische detector, NASA selecteerde een nieuwe op halfgeleiders gebaseerde terahertz-laser die eerder was ontworpen door de MIT-onderzoekers. Het is momenteel de best presterende terahertz-laser. Dergelijke lasers zijn bij uitstek geschikt voor spectroscopische meting van zuurstofconcentraties in terahertz-straling, de band van het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en zichtbaar licht.

Terahertz-lasers kunnen coherente straling in een materiaal sturen om de spectrale "vingerafdruk" van het materiaal te extraheren. Verschillende materialen absorberen terahertz-straling in verschillende mate, wat betekent dat elk een unieke vingerafdruk heeft die verschijnt als een spectraallijn. Dit is vooral waardevol in het bereik van 1-5 terahertz:voor smokkelwaardetectie, bijvoorbeeld, de handtekening van heroïne is te zien rond 1,42 en 3,94 terahertz, en cocaïne rond de 1,54 terahertz.

Voor jaren, Hu's lab heeft nieuwe soorten kwantumcascadelasers ontwikkeld, "fotonische draadlasers" genoemd. Zoals veel lasers, deze zijn bidirectioneel, wat betekent dat ze licht in tegengestelde richtingen uitstralen, waardoor ze minder krachtig zijn. Bij traditionele lasers, dat probleem kan eenvoudig worden verholpen met zorgvuldig geplaatste spiegels in het lichaam van de laser. Maar het is erg moeilijk te repareren in terahertz lasers, omdat terahertz-straling zo lang is, en de laser zo klein, dat het meeste licht buiten het lichaam van de laser reist.

In de laser geselecteerd voor GUSTO, de onderzoekers hadden een nieuw ontwerp ontwikkeld voor de golfgeleiders van de draadlasers - die bepalen hoe de elektromagnetische golf langs de laser reist - om in één richting uit te zenden. Hierdoor werd een hoog rendement en een hoge straalkwaliteit bereikt, maar het stond geen frequentieafstemming toe, die NASA nodig had.

Een pagina uit de scheikunde halen

Voortbouwend op hun eerdere ontwerp, Khalatpour liet zich inspireren door een onwaarschijnlijke bron:organische chemie. Tijdens het volgen van een undergraduate-les aan het MIT, Khalatpour nam nota van een lange polymeerketen met atomen langs twee zijden. Ze waren "pi-gebonden, " wat betekent dat hun moleculaire orbitalen elkaar overlappen om de binding stabieler te maken. De onderzoekers pasten het concept van pi-binding toe op hun lasers, waar ze nauwe verbindingen tot stand brachten tussen anders onafhankelijke draadlasers langs een array. Dit nieuwe koppelingsschema maakt fasevergrendeling van twee- of meerdraadslasers mogelijk.

Om frequentieafstemming te bereiken, de onderzoekers gebruiken kleine "knoppen" om de stroom van elke draadlaser te veranderen, die enigszins verandert hoe licht door de laser reist - de brekingsindex genoemd. Die brekingsindex verandering, wanneer toegepast op gekoppelde lasers, creëert een continue frequentieverschuiving naar de middenfrequentie van het paar.

Voor experimenten, de onderzoekers fabriceerden een reeks van 10 pi-gekoppelde draadlasers. De laser werkte met continue frequentie-afstemming in een bereik van ongeveer 10 gigahertz, en een vermogen van ongeveer 50 tot 90 milliwatt, afhankelijk van hoeveel pi-gekoppelde laserparen zich op de array bevinden. De lichtbundel heeft een dimlichtdivergentie van 10 graden, wat een maat is voor hoeveel de straal over afstand van zijn focus afwijkt.

De onderzoekers bouwen momenteel ook aan een systeem voor beeldvorming met een hoog dynamisch bereik - meer dan 110 decibel - dat in veel toepassingen kan worden gebruikt, zoals beeldvorming van huidkanker. Huidkankercellen absorberen terahertz-golven sterker dan gezonde cellen, dus terahertz-lasers zouden ze mogelijk kunnen detecteren. De lasers die eerder voor de taak werden gebruikt, echter, zijn enorm en inefficiënt, en niet frequentie-afstembaar. Het chip-formaat apparaat van de onderzoekers komt overeen met of overtreft die lasers in uitgangsvermogen, en biedt afstemmingsmogelijkheden.

"Het hebben van een platform met al die prestatiestatistieken samen ... zou de beeldvormingsmogelijkheden aanzienlijk kunnen verbeteren en de toepassingen ervan uitbreiden, ' zegt Khalatpour.

"Dit is heel mooi werk - in het THz [bereik] was het erg moeilijk om hoge vermogensniveaus te verkrijgen van lasers tegelijk met goede bundelpatronen, " zegt Benjamin Williams, universitair hoofddocent fysieke en golfelektronica aan de Universiteit van Californië in Los Angeles. "De innovatie is de nieuwe manier waarop ze de meerdraadslasers aan elkaar hebben gekoppeld. Dit is lastig, want als alle lasers in de array niet in fase stralen, dan zal het straalpatroon worden geruïneerd. Ze hebben aangetoond dat door de juiste afstand tussen aangrenzende draadlasers, ze kunnen worden overgehaald om te 'willen' werken in een coherente symmetrische supermodus - allemaal samen stralend in lockstep. Als bonus, de laserfrequentie kan worden afgestemd ... op de gewenste golflengte - een belangrijk kenmerk voor spectroscopie en ... voor astrofysica."

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.