Nowe lasery mogą napędzać obrazowanie medyczne i wykrywanie przemytu

Kompaktowe, oparte na chipach lasery podbiły znaczną część widma elektromagnetycznego, od ultrafioletu do podczerwieni, umożliwiając wykorzystanie technologii od komunikacji cyfrowej i czytników kodów kreskowych do laserowych wskaźników i drukarek. Ale jeden kluczowy obszar widma pozostał nieoswojony: pasmo terahercowe, które leży pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Inżynierowie mają pod ręką gotowe źródło promieniowania terahercowego, które może wnikać w nieprzezroczyste przedmioty i badać chemiczne odciski palców wewnątrz. Ale kompaktowe lasery terahercowe pracowały tylko w ultralekkich temperaturach, ograniczając je głównie do ustawień laboratoryjnych.

Już nie. W dzisiejszym wydaniu Nature Photonics naukowcy donoszą o stworzeniu lasera terahercowego o wielkości ziarna ryżu na chipie, który działa w temperaturze 250 K, czyli –23°C, w zasięgu podłączanej chłodnicy wielkości krakersa.

„To wielkie osiągnięcie” – mówi Miriam Vitiello, fizyk materii skondensowanej z Nanoscience Institute of Italy’s National Research Council. „Długofalowym celem społeczności było podwyższenie temperatury laserów terahercowych” – dodaje. „Jest teraz mnóstwo zastosowań, które można wykonać”, od obrazowania medycznego po wykrywanie materiałów wybuchowych na lotniskach.

Standardowe lasery oparte na chipach generują fotony, gdy elektrony wpadają w luki elektronowe w stopie półprzewodnikowym, którego skład decyduje o kolorze. Na przykład azotek galu emituje niebieskie światło, podczas gdy arsenek galu emituje światło czerwone. Jednak żadne stopy półprzewodników nie emitują fotonów w zakresie terahercowym. („Teraherc” odnosi się do częstotliwości światła: biliony cykli na sekundę). W 1994 r. naukowcy z AT&T Bell Labs stworzyli nowy rodzaj lasera, w którym to struktura półprzewodnika, a nie tylko jego chemia, określała długość fali. Nazywany kwantowym laserem kaskadowym (QCL), zawierał setki warstw półprzewodników o precyzyjnych grubościach. Elektrony wprowadzone do struktury spadają kaskadowo w dół po setkach stopni energii, z których każdy zrzuca foton. Te fotony były podczerwone w pierwszym QCL,

Urządzenia te należało schłodzić do 50 K, ale w zeszłym roku naukowcy pod kierunkiem fizyka Jérôme Faist z ETH Zurich odkryli terahercowy QCL składający się z setek naprzemiennych warstw arsenku galu i arsenku galu aluminium (AlGaAs), który działa przy 210 K. Jednak nadal wymagało to dużych i drogich chłodnic kriogenicznych.

W wyższej temperaturze elektrony przeskakują bariery między warstwami, a nie przechodzą kaskadowo przez strukturę krok po kroku. „Przez barierę wyciek elektronów był zabójcą” – mówi Qing Hu, inżynier elektryk z Massachusetts Institute of Technology. Dlatego Hu i jego koledzy dodali więcej aluminium do barier AlGaAs w nadziei na lepsze zamknięcie elektronów. Zespół Hu musiał również zapobiec interakcjom elektronów w sposób, który spowodowałby ich przeciekanie przez bariery AlGaAs.

Teraz zespół Hu wykazał, że jeszcze dokładniej dostosowując swoją warstwową strukturę – niektóre warstwy miały zaledwie siedem atomów grubości – może spowodować, że elektrony będą się zachowywać w temperaturach wystarczająco ciepłych, aby można je było osiągnąć za pomocą standardowych kompaktowych chłodnic termoelektrycznych. Co więcej, mówi Hu, ta sama strategia powinna umożliwić zespołowi ostatecznie wyprodukowanie terahercowych laserów w temperaturze pokojowej.

Źródła terahercowe w temperaturze pokojowej można łączyć z detektorami terahercowymi, które działają również w temperaturze pokojowej, nad którymi obecnie pracuje Vitiello i inni badacze. To małżeństwo może doprowadzić do technologii, takich jak kamery terahercowe, które będą w stanie odróżnić raka skóry od normalnej tkanki bez wykonywania biopsji lub obserwować pasażerów linii lotniczych i ładunek w poszukiwaniu ukrytych materiałów wybuchowych, nielegalnych narkotyków, a nawet podróbek farmaceutycznych. Faist mówi: „Mieliśmy na to nadzieję od bardzo dawna”.

Źródło: Robert F. Service

High-power portable terahertz laser systems

Thermoelectrically cooled THz quantum cascade laser operating up to 210 K

Zdjęcie: Unsplash

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x