Terahertz-lasers kunnen binnenkort hun moment hebben. Straling uitzenden die ergens tussen microgolven en infrarood licht langs het elektromagnetische spectrum zit, terahertz-lasers zijn het onderwerp van intensief onderzoek geweest vanwege hun vermogen om door te dringen in gangbare verpakkingsmaterialen zoals kunststoffen, stoffen, en karton en worden gebruikt voor identificatie en detectie van verschillende chemicaliën en biomoleculaire soorten, en zelfs voor beeldvorming van sommige soorten biologisch weefsel zonder schade te veroorzaken. Het potentieel van terahertz-lasers voor ons vervullen hangt af van het verbeteren van hun intensiteit en helderheid, bereikt door het vermogen en de straalkwaliteit te verbeteren.

Sushil Kumar, universitair hoofddocent aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Lehigh University, en zijn onderzoeksteam werken in de voorhoede van terahertz halfgeleider 'quantum-cascade' laser (QCL) technologie. in 2018, Kumar, die ook verbonden is aan Lehigh's Centre for Photonics and Nanoelectronics (CPN) rapporteerde over een eenvoudige maar effectieve techniek om het vermogen van single-mode lasers te verbeteren op basis van een nieuw type "distributed-feedback"-mechanisme. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communications en kreeg veel aandacht als een belangrijke vooruitgang in de terahertz QCL-technologie. Het werk werd uitgevoerd door afgestudeerde studenten, inclusief Yuan Jin, onder toezicht van Kumar en in samenwerking met Sandia National Laboratories.

Nutsvoorzieningen, Kumar, Jin en John L. Reno van Sandia melden een nieuwe doorbraak in de terahertz-technologie:ze hebben een nieuwe fasevergrendelingstechniek ontwikkeld voor plasmonische lasers en, door het gebruik ervan, bereikte een recordhoog vermogen voor terahertz-lasers. Hun laser produceerde de hoogste stralingsefficiëntie voor elke halfgeleider kwantumcascadelaser met enkele golflengte. Deze resultaten worden uitgelegd in een paper, "Phase-locked terahertz plasmonische laserarray met 2 W uitgangsvermogen in een enkele spectrale modus", gisteren gepubliceerd in optiek .

"Voor zover wij weten, de stralingsefficiëntie van onze terahertz-lasers is de hoogste die tot nu toe is aangetoond voor QCL's met één golflengte en is het eerste rapport van een stralingsefficiëntie van meer dan 50% die in dergelijke QCL's wordt bereikt, "zei Kumar. "Zo'n hoge stralingsefficiëntie overtrof onze verwachtingen, en het is ook een van de redenen waarom het uitgangsvermogen van onze laser aanzienlijk groter is dan wat eerder is bereikt."

Om het optische vermogen en de bundelkwaliteit van halfgeleiderlasers te verbeteren, wetenschappers maken vaak gebruik van fasevergrendeling, een elektromagnetisch regelsysteem dat een reeks optische holtes dwingt om straling uit te zenden in de slotstap. Terahertz QCL's, die gebruik maken van optische holtes met metalen coatings (bekledingen) voor lichte opsluiting, zijn een klasse lasers die bekend staan ​​als plasmonische lasers en die berucht zijn om hun slechte stralingseigenschappen. Er is slechts een beperkt aantal technieken beschikbaar in de literatuur, ze zeggen, die kunnen worden gebruikt om de stralingsefficiëntie en het uitgangsvermogen van dergelijke plasmonische lasers met aanzienlijke marges te verbeteren.

"Ons artikel beschrijft een nieuw fasevergrendelingsschema voor plasmonische lasers dat duidelijk verschilt van eerder onderzoek naar fasevergrendelde lasers in de uitgebreide literatuur over halfgeleiderlasers, ", zegt Jin. "De gedemonstreerde methode maakt gebruik van reizende oppervlaktegolven van elektromagnetische straling als een hulpmiddel voor fasevergrendeling van plasmonische optische holtes. De doeltreffendheid van de methode wordt aangetoond door het bereiken van een record-hoog uitgangsvermogen voor terahertz-lasers dat met een orde van grootte is toegenomen in vergelijking met eerder werk."

Reizende oppervlaktegolven die zich voortplanten langs de metalen laag van de holtes, maar buiten in het omringende medium van de holtes in plaats van binnen, is een unieke methode die de afgelopen jaren in de groep van Kumar is ontwikkeld en die nieuwe wegen blijft openen voor verdere innovatie. Het team verwacht dat het uitgangsvermogensniveau van hun lasers kan leiden tot samenwerkingen tussen laseronderzoekers en toepassingswetenschappers voor de ontwikkeling van terahertz-spectroscopie en detectieplatforms op basis van deze lasers.

Deze innovatie in QCL-technologie is het resultaat van een langdurige onderzoeksinspanning door Kumar's laboratorium in Lehigh. Kumar en Jin ontwikkelden samen het uiteindelijk geïmplementeerde idee door middel van ontwerp en experimenten gedurende een periode van ongeveer twee jaar. Dankzij de samenwerking met Dr. Reno van de Sandia National Laboratories konden Kumar en zijn team halfgeleidermateriaal ontvangen om het optische kwantumcascademedium voor deze lasers te vormen.

De belangrijkste innovatie in dit werk, volgens de onderzoekers zit in het ontwerp van de optische holtes, die enigszins onafhankelijk is van de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal. Het nieuw verworven inductief gekoppeld plasma (ICP) etsgereedschap bij Lehigh's CPN speelde een cruciale rol bij het verleggen van de prestatiegrenzen van deze lasers, ze zeggen.

Dit onderzoek vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving in hoe dergelijke terahertz-lasers met één golflengte met smalle bundels worden ontwikkeld en in de toekomst zullen worden ontwikkeld, zegt Kumar, toevoegend:"Ik denk dat de toekomst van terahertz-lasers er heel rooskleurig uitziet."