Un laser terahertz progettato dai ricercatori del MIT è il primo a raggiungere contemporaneamente tre obiettivi prestazionali chiave:elevata potenza costante, modello a fascio stretto, e un'ampia sintonizzazione della frequenza elettrica, e potrebbe quindi essere utile per un'ampia gamma di applicazioni nel rilevamento e nell'imaging di sostanze chimiche.

Il laser ottimizzato può essere utilizzato per rilevare elementi interstellari in una prossima missione della NASA che mira a saperne di più sulle origini della nostra galassia. Qui sulla Terra, il laser a filo fotonico ad alta potenza potrebbe anche essere utilizzato per migliorare l'imaging del cancro della pelle e del seno, rilevamento di droghe ed esplosivi, e altro ancora.

Il nuovo design del laser accoppia più semiconduttori, laser a filo efficienti e li costringe a "blocco di fase, " o oscillazioni di sincronizzazione. La combinazione dell'output delle coppie lungo l'array produce un singolo, fascio ad alta potenza con minima divergenza del fascio. Le regolazioni ai singoli laser accoppiati consentono un'ampia sintonizzazione della frequenza per migliorare la risoluzione e la fedeltà nelle misurazioni. Raggiungere tutti e tre i parametri delle prestazioni significa meno rumore e una risoluzione più elevata, per il rilevamento chimico e l'imaging medico più affidabili ed economici, dicono i ricercatori.

"Le persone hanno eseguito la sintonizzazione della frequenza nei laser, o realizzato un laser con un'elevata qualità del raggio, o con elevata potenza d'onda continua. Ma ogni disegno manca negli altri due fattori, "dice Ali Khalatpour, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica e primo autore di un articolo che descrive il laser, pubblicato oggi in Fotonica della natura . "Questa è la prima volta che raggiungiamo tutte e tre le metriche contemporaneamente nei laser terahertz basati su chip".

"È come 'un anello per domarli tutti, '" Khalatpour aggiunge, riferendosi alla frase popolare di Il Signore degli Anelli .

Insieme a Khalatpour sulla carta ci sono:Qing Hu, un illustre professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT che ha svolto un lavoro pionieristico sui laser a cascata quantica terahertz; e John L. Reno dei Laboratori Nazionali Sandia.

Selezionato dalla NASA

L'anno scorso, La NASA ha annunciato il Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO), una missione del 2021 per inviare un telescopio ad alta quota basato su un pallone che trasporta laser a filo fotonico per rilevare l'ossigeno, carbonio, ed emissioni di azoto dal "mezzo interstellare, " il materiale cosmico tra le stelle. Dati estesi raccolti in pochi mesi forniranno informazioni sulla nascita e l'evoluzione delle stelle, e aiuta a mappare più galassie della Via Lattea e della vicina Grande Nube di Magellano.

Per un componente del rivelatore chimico GUSTO, La NASA ha selezionato un nuovo laser terahertz basato su semiconduttori precedentemente progettato dai ricercatori del MIT. Attualmente è il laser terahertz più performante. Tali laser sono particolarmente adatti per la misurazione spettroscopica delle concentrazioni di ossigeno nella radiazione terahertz, la banda dello spettro elettromagnetico tra le microonde e la luce visibile.

I laser Terahertz possono inviare radiazioni coerenti in un materiale per estrarre la "impronta digitale" spettrale del materiale. Materiali diversi assorbono la radiazione terahertz in gradi diversi, il che significa che ognuno ha un'impronta digitale unica che appare come una linea spettrale. Ciò è particolarmente utile nell'intervallo 1-5 terahertz:per il rilevamento del contrabbando, Per esempio, la firma dell'eroina si vede intorno a 1,42 e 3,94 terahertz, e la cocaina a circa 1,54 terahertz.

Per anni, Il laboratorio di Hu ha sviluppato nuovi tipi di laser a cascata quantica, chiamati "laser a filo fotonico". Come molti laser, questi sono bidirezionali, nel senso che emettono luce in direzioni opposte, che li rende meno potenti. Nei laser tradizionali, questo problema è facilmente risolvibile con specchi posizionati con cura all'interno del corpo del laser. Ma è molto difficile da riparare con i laser terahertz, perché la radiazione terahertz è così lunga, e il laser così piccolo, che la maggior parte della luce viaggia al di fuori del corpo del laser.

Nel laser selezionato per GUSTO, i ricercatori avevano sviluppato un nuovo design per le guide d'onda dei laser a filo, che controllano il modo in cui l'onda elettromagnetica viaggia lungo il laser, per emettere in modo unidirezionale. Ciò ha raggiunto un'elevata efficienza e qualità del raggio, ma non permetteva la sintonizzazione della frequenza, che la NASA ha richiesto.

Prendendo una pagina dalla chimica

Basandosi sul loro design precedente, Khalatpour si è ispirato a una fonte improbabile:la chimica organica. Mentre frequentava un corso di laurea al MIT, Khalatpour ha notato una lunga catena polimerica con atomi allineati lungo due lati. Erano "pi-bonded, " il che significa che i loro orbitali molecolari si sono sovrapposti per rendere il legame più stabile. I ricercatori hanno applicato il concetto di legame pi ai loro laser, dove hanno creato strette connessioni tra laser a filo altrimenti indipendenti lungo una matrice. Questo nuovo schema di accoppiamento consente l'aggancio di fase di laser a due o più fili.

Per ottenere la sintonizzazione della frequenza, i ricercatori usano minuscole "manopole" per cambiare la corrente di ciascun laser a filo, che cambia leggermente il modo in cui la luce viaggia attraverso il laser, chiamato indice di rifrazione. Quel cambiamento dell'indice di rifrazione, quando applicato a laser accoppiati, crea uno spostamento di frequenza continuo alla frequenza centrale della coppia.

Per esperimenti, i ricercatori hanno fabbricato una serie di 10 laser a filo accoppiati a pi greco. Il laser operava con sintonizzazione di frequenza continua in un arco di circa 10 gigahertz, e una potenza di circa 50-90 milliwatt, a seconda di quante coppie di laser accoppiati pi sono presenti sull'array. Il fascio ha una divergenza del fascio anabbagliante di 10 gradi, che è una misura di quanto il raggio si allontana dal suo fuoco su distanze.

I ricercatori stanno anche costruendo un sistema per l'imaging con un'elevata gamma dinamica, superiore a 110 decibel, che può essere utilizzato in molte applicazioni come l'imaging del cancro della pelle. Le cellule tumorali della pelle assorbono le onde terahertz più fortemente delle cellule sane, quindi i laser terahertz potrebbero potenzialmente rilevarli. I laser precedentemente utilizzati per il compito, però, sono enormi e inefficienti, e non sintonizzabile in frequenza. Il dispositivo delle dimensioni del chip dei ricercatori corrisponde o supera quei laser in potenza di uscita, e offre funzionalità di ottimizzazione.

"Avere una piattaforma con tutte queste metriche sulle prestazioni insieme... potrebbe migliorare significativamente le capacità di imaging ed estendere le sue applicazioni, " dice Khalatpour.

"Questo è un lavoro molto bello:nella [gamma] THz è stato molto difficile ottenere livelli di potenza elevati dai laser simultanei con buoni modelli di raggio, "dice Benjamin Williams, professore associato di elettronica fisica e delle onde presso l'Università della California a Los Angeles. "L'innovazione è il nuovo modo in cui hanno usato per accoppiare i laser a più fili insieme. Questo è complicato, poiché se tutti i laser nell'array non irradiano in fase, allora il modello del fascio sarà rovinato. Hanno dimostrato che distanziando correttamente i laser a filo adiacenti, possono essere indotti a "volere" operare in una supermodalità coerente e simmetrica, che si irradiano collettivamente insieme in sincronia. Come bonus, la frequenza del laser può essere sintonizzata... alla lunghezza d'onda desiderata, una caratteristica importante per la spettroscopia e... per l'astrofisica."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.