Un gruppo di scienziati della TU Wien e dell'ETH di Zurigo è riuscito nei suoi tentativi di generare impulsi di luce terahertz ultracorti. Con lunghezze di pochi picosecondi, questi impulsi sono ideali per applicazioni spettroscopiche e consentono misurazioni di frequenza estremamente precise.

Le proprietà uniche della radiazione terahertz la rendono interessante per un'ampia gamma di potenziali applicazioni, compreso l'imaging medico non invasivo e il rilevamento di sostanze pericolose. Le onde terahertz possono penetrare in molti materiali opachi alla luce visibile e, a differenza delle radiazioni X, non rappresentano un rischio di danni ai tessuti biologici. In aggiunta a questo, molte sostanze hanno un'impronta molecolare nell'intervallo dei terahertz, consentendo loro di essere rilevati utilizzando metodi spettroscopici. Un modo efficiente per generare queste onde terahertz è utilizzare laser a cascata quantica, che un gruppo di lavoro guidato dal Prof. Karl Unterrainer presso l'Istituto di fotonica della TU Wien ha studiato e sviluppato. I laser a cascata quantica sono costituiti da una sequenza definita con precisione di diverse centinaia di strati di semiconduttori che misurano solo pochi nanometri di spessore. Questa costruzione speciale significa che c'è la libertà di selezionare l'esatto stato energetico in cui gli elettroni rimangono all'interno della struttura del semiconduttore. Ciò consente di regolare la frequenza della luce laser emessa in base all'applicazione in questione.

Creazione di un pettine di frequenza con un "sandwich laser" a banda larga

Con questa particolarità di poter determinare le lunghezze d'onda laser stesse, diverse strutture a cascata quantica con diverse frequenze di emissione possono essere impilate l'una sull'altra, con l'obiettivo di generare radiazioni terahertz a banda larga. "Zone attive eterogenee di questo tipo sono ideali per implementare amplificatori terahertz a banda larga e generare impulsi terahertz ultracorti, " spiega Dominic Bachmann dell'Istituto di fotonica. Inoltre, se le linee laser discrete sono collegate tra loro per stabilire una relazione di fase fissa tra le modalità laser, verrà creato qualcosa noto come "pettine di frequenza". I pettini di frequenza consentono di effettuare misurazioni estremamente precise della frequenza assoluta della luce utilizzata, che è essenziale per un numero enorme di applicazioni. La scoperta del pettine di frequenza ha più o meno rivoluzionato la metrologia ottica ed è stata insignita del Premio Nobel per la Fisica nel 2005. Negli ultimi quattro anni, i ricercatori hanno lavorato duramente per generare un pettine di frequenza terahertz utilizzando un laser a cascata quantica come parte del progetto UE TERACOMB. Diretto dal dottor Juraj Darmo dell'Istituto di fotonica, il team di gruppi di ricerca internazionali è riuscito a generare il primo pettine di frequenza terahertz a banda larga basato sulla tecnologia dei semiconduttori.

Guardare i laser al lavoro

Un metodo sviluppato dal gruppo guidato dal Prof. Unterrainer consente di analizzare i parametri laser a cascata quantica interni durante il funzionamento del laser. Questa tecnica si basa sulla spettroscopia risolta nel tempo, con impulsi terahertz a banda larga che penetrano nel campione da misurare. Basato su laser a femtosecondi, questa tecnologia può essere utilizzata per raccogliere l'intero contenuto informativo relativo all'intervallo di tempo e frequenza con un'unica misura. Di conseguenza, gli scienziati del Photonics Institute sono riusciti a quantificare i coefficienti di guadagno ottico e la dispersione ottica nei laser a cascata quantica terahertz a banda larga, migliorare la loro comprensione delle complesse dinamiche in gioco. "Questi risultati ci consentono di aumentare ulteriormente la larghezza di banda del laser e di migliorare l'efficienza dei pettini di frequenza, " spiega Juraj Darmo.

Mirare alle perdite

Un problema irrisolto con i laser a cascata quantica terahertz era l'esistenza di linee laser con diverse velocità di propagazione. Se ci sono modalità laser con un ordine laterale più alto, l'intensità è distribuita in modo molto disomogeneo tra le linee laser, riducendo così la larghezza di banda utilizzabile e prevenendo la generazione di un pettine di frequenza. Per impedire a queste modalità di oscillare, le perdite devono essere aumentate in modo tale da non raggiungere la soglia del laser. Aggiungendo un assorbitore laterale su misura ai bordi del risonatore laser, i ricercatori sono riusciti a sopprimere completamente le modalità laterali superiori, senza avere alcun impatto rilevante sui modi fondamentali. Il risultato è stata una larghezza di banda di emissione che copre un'ottava intera, distribuzione della modalità molto uniforme nel mezzo a 700 GHz, e un pettine di frequenza con una larghezza di banda di 440 GHz. Cosa c'è di più, gli assorbitori laterali consentono la generazione di impulsi terahertz ultracorti con larghezze di impulso inferiori a 3 ps, che rappresenta un nuovo record mondiale per impulsi terahertz generati utilizzando un laser a cascata quantica. "È stato davvero sorprendente vedere come una regolazione relativamente piccola della guida d'onda potesse portare a un miglioramento così drammatico, " spiega Dominic Bachmann, che ha appena finito di scrivere la sua tesi sui laser a cascata quantica a banda larga.