La capacità di sfruttare la luce in un intenso raggio di radiazione monocromatica in un laser ha rivoluzionato il modo in cui viviamo e lavoriamo da oltre cinquant'anni. Tra le sue numerose applicazioni ci sono comunicazioni dati ultraveloci e ad alta capacità, produzione, chirurgia, lettori di codici a barre, stampanti, tecnologia di guida autonoma e spettacolari display a luce laser. I laser trovano anche una casa nella spettroscopia atomica e molecolare utilizzata in vari rami della scienza, nonché per il rilevamento e l'analisi di un'ampia gamma di sostanze chimiche e biomolecole.

I laser possono essere classificati in base alla loro lunghezza d'onda di emissione all'interno dello spettro elettromagnetico, di cui i laser a luce visibile, come quelli nei puntatori laser, sono solo una piccola parte. I laser a infrarossi sono utilizzati per le comunicazioni ottiche attraverso le fibre. I laser ultravioletti sono utilizzati per la chirurgia oculare. E poi ci sono i laser terahertz, che sono oggetto di indagine presso il gruppo di ricerca di Sushil Kumar, professore associato di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Lehigh University.

I laser Terahertz emettono radiazioni che si trovano tra le microonde e la luce infrarossa lungo lo spettro elettromagnetico. La loro radiazione può penetrare nei comuni materiali di imballaggio come plastica, tessuti e cartone, e sono anche notevolmente efficaci nel rilevamento ottico e nell'analisi di un'ampia varietà di sostanze chimiche. Questi laser hanno il potenziale per l'uso nello screening non distruttivo e nel rilevamento di esplosivi confezionati e droghe illecite, valutazione di composti farmaceutici, screening per il cancro della pelle e persino lo studio della formazione di stelle e galassie.

Applicazioni come la spettroscopia ottica richiedono che il laser emetta radiazioni a una lunghezza d'onda precisa, che è più comunemente ottenuto implementando una tecnica nota come "feedback distribuito". Tali dispositivi sono chiamati laser monomodali. La richiesta del funzionamento in modalità singola è particolarmente importante per i laser terahertz, poiché le loro applicazioni più importanti saranno nella spettroscopia terahertz. I laser Terahertz sono ancora in una fase di sviluppo e i ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di migliorare le loro caratteristiche prestazionali per soddisfare le condizioni che li renderebbero commercialmente sostenibili.

Mentre si propaga, La radiazione terahertz viene assorbita dall'umidità atmosferica. Perciò, un requisito fondamentale per tali laser è un raggio intenso tale da poter essere utilizzato per il rilevamento ottico e l'analisi di sostanze mantenute a una distanza di sicurezza di diversi metri o più, e non essere assorbito. A tal fine, Il team di ricerca di Kumar è concentrato sul miglioramento della loro intensità e luminosità, ottenibile in parte aumentando la potenza ottica.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , il team di Lehigh, supervisionato da Kumar in collaborazione con i Sandia National Laboratories, ha riferito di una tecnica semplice ma efficace per migliorare la potenza di uscita dei laser monomodali che "emettono in superficie" (al contrario di quelli che utilizzano un "edge-emitting" configurazione). Dei due tipi, la configurazione di emissione superficiale per i laser a semiconduttore offre vantaggi distintivi nel modo in cui i laser potrebbero essere miniaturizzati, confezionato e testato per la produzione commerciale.

La ricerca pubblicata descrive una nuova tecnica mediante la quale viene introdotto un tipo specifico di periodicità nella cavità ottica del laser, permettendogli di irradiare fondamentalmente un raggio di buona qualità con una maggiore efficienza di radiazione, rendendo così il laser più potente. Gli autori chiamano il loro schema come avente un "reticolo di Bragg ibrido di secondo e quarto ordine" (al contrario di un reticolo di Bragg di secondo ordine per il tipico laser a emissione di superficie, le cui varianti sono state utilizzate in un'ampia varietà di laser per quasi tre decenni). Gli autori affermano che il loro schema a reticolo ibrido non è limitato ai laser terahertz e potrebbe potenzialmente migliorare le prestazioni di un'ampia classe di laser a semiconduttore ad emissione superficiale che emettono a diverse lunghezze d'onda.

Il rapporto discute i risultati sperimentali per un laser monolitico terahertz monomodale con una potenza di 170 milliwatt, che è il più potente fino ad oggi per tale classe di laser. La ricerca mostra in modo conclusivo che il cosiddetto reticolo ibrido è in grado di far emettere il laser ad una specifica lunghezza d'onda desiderata attraverso una semplice alterazione della periodicità del reticolo impresso nella cavità del laser mantenendone la qualità del raggio. Kumar sostiene che livelli di potenza di un watt e oltre dovrebbero essere raggiungibili con future modifiche della loro tecnica, che potrebbe essere solo la soglia necessaria da superare affinché l'industria prenda nota e acceda alla potenziale commercializzazione di strumenti basati su laser terahertz.