Un tempo l'arma preferita dei pazzi dei film di serie B e degli eroi della fantascienza spaziale, il laser, un dispositivo che genera un intenso raggio di radiazione elettromagnetica coerente stimolando l'emissione di fotoni da atomi o molecole eccitati, è diventato un po' addomesticato negli ultimi tempi.

In questi giorni, ha un lavoro fisso nell'industria, e trascorre il suo tempo libero stampando documenti negli uffici domestici e riproducendo film negli home theater. Qua e là compare su riviste mediche e notizie militari, ma sostanzialmente si è ridotto alla lettura di codici a barre alla cassa della drogheria, una tecnologia che ha perso il suo fascino.

Ma i laser sono ancora fantastici, insiste Sushil Kumar della Lehigh University, con un vasto potenziale di innovazione che abbiamo appena iniziato a sfruttare. E con il sostegno della National Science Foundation (NSF), è in missione per dimostrarlo.

Kumar, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, si concentra specificamente sui laser che derivano da una regione relativamente non sfruttata nello spettro elettromagnetico, il terahertz (THz), o lontano infrarosso, frequenza. Un ricercatore all'avanguardia nella tecnologia laser a "cascata quantistica" dei semiconduttori THz, lui ei suoi colleghi hanno pubblicato risultati da record mondiale per il funzionamento ad alta temperatura e altre importanti caratteristiche prestazionali di tali laser.

Il suo obiettivo è sviluppare dispositivi che aprano una vasta gamma di possibili applicazioni:rilevamento chimico e biologico, spettroscopia, rilevamento di esplosivi e altri materiali di contrabbando, diagnosi di malattie, controllo di qualità nei prodotti farmaceutici, e persino il telerilevamento in astronomia per comprendere la formazione di stelle e galassie, solo per citarne alcuni. (Roba piuttosto interessante... le persone alla cassa ne sarebbero impressionate.)

Eppure, nonostante i noti benefici, Kumar afferma che i laser terahertz sono stati sottoutilizzati e poco esplorati; costi elevati e limitazioni funzionali hanno ostacolato l'innovazione che avrebbe portato a tale utilizzo. Kumar, però, crede di essere sulla buona strada per liberare veramente la potenza della tecnologia laser THz; ha recentemente ricevuto una borsa di studio dalla NSF, Matrici ad aggancio di fase di laser terahertz ad alta potenza con fasci ultra-stretti, con l'obiettivo di creare laser THz che producono intensità ottiche molto maggiori di quelle attualmente possibili e potenzialmente rimuovere le barriere alla ricerca su vasta scala e all'adozione commerciale.

Concentrarsi su una soluzione

Secondo Kumar, la regione terahertz dello spettro elettromagnetico è significativamente sottosviluppata a causa della mancanza di sorgenti di radiazioni ad alta potenza. Le sorgenti esistenti presentano una bassa potenza di uscita e altre caratteristiche spettrali indesiderate che le rendono inadatte per applicazioni serie. Il suo progetto attuale mira a sviluppare laser a semiconduttore terahertz con una frequenza di emissione precisa fino a 100 milliwatt di potenza ottica media, un miglioramento di due ordini di grandezza rispetto alla tecnologia attuale, in un fascio stretto con significativamente meno di cinque gradi di divergenza angolare.

Kumar funziona con laser a cascata quantica (QCL). Questi dispositivi sono stati originariamente inventati per l'emissione di radiazioni nel medio infrarosso. Solo di recente hanno iniziato a lasciare il segno alle frequenze THz, e in quella gamma soffrono di diverse sfide aggiuntive. In questo ambiente all'avanguardia, Il gruppo di Kumar è tra i pochi eletti al mondo che stanno facendo progressi verso una produzione fattibile ea basso costo di questi laser.

L'approccio previsto da Kumar migliorerà in modo significativo la potenza in uscita e la qualità del raggio dai QCL. Un portatile, il criorefrigeratore ad azionamento elettrico fornirà il raffreddamento a temperatura richiesto per i chip laser a semiconduttore; questi conterranno array QCL ad aggancio di fase che emettono a una gamma di frequenze terahertz discrete determinate dall'applicazione desiderata.

Nei lavori precedenti, Kumar e il suo gruppo hanno dimostrato che i laser THz (che emettono a una lunghezza d'onda di circa 100 micron) possono emettere un raggio di luce focalizzato utilizzando una tecnica chiamata feedback distribuito. L'energia luminosa nel loro laser è confinata all'interno di una cavità racchiusa tra due piastre metalliche separate da una distanza di 10 micron. Utilizzando una cavità a forma di scatola che misura 10 micron per 100 micron per 1, 400 micron (1,4 millimetri), il gruppo ha prodotto un laser terahertz con un angolo di divergenza del raggio di soli 4 gradi per 4 gradi, la divergenza più stretta mai raggiunta per tali laser terahertz.

Kumar ritiene che la maggior parte delle aziende che attualmente impiegano laser nel medio infrarosso sarebbe interessata a potenti, QCL terahertz convenienti, e che la tecnologia stessa genererà nuove soluzioni.

"L'iPhone doveva esistere prima che gli sviluppatori potessero scrivere le 'app killer' che lo hanno reso un prodotto domestico, " dice. "Allo stesso modo, stiamo lavorando per una tecnologia che potrebbe consentire ai futuri ricercatori di cambiare il mondo in modi che devono ancora essere considerati".