I laser Terahertz potrebbero presto avere il loro momento. Emettendo radiazioni che si trovano da qualche parte tra le microonde e la luce infrarossa lungo lo spettro elettromagnetico, I laser terahertz sono stati al centro di studi approfonditi grazie alla loro capacità di penetrare materiali di imballaggio comuni come plastica, tessuti, e cartone ed essere utilizzato per l'identificazione e il rilevamento di varie sostanze chimiche e specie biomolecolari, e anche per l'imaging di alcuni tipi di tessuto biologico senza causare danni. La realizzazione del potenziale dei laser terahertz per noi dipende dal miglioramento della loro intensità e luminosità, ottenuto migliorando la potenza in uscita e la qualità del raggio.

Sushil Kumar, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Lehigh University, e il suo team di ricerca stanno lavorando all'avanguardia della tecnologia laser a "cascata quantistica" dei semiconduttori terahertz (QCL). Nel 2018, Kumar, che è anche affiliato al Center for Photonics and Nanoelectronics (CPN) di Lehigh, ha riferito di una tecnica semplice ma efficace per migliorare la potenza dei laser monomodali basata su un nuovo tipo di meccanismo di "feedback distribuito". I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Natura Comunicazioni e ha ricevuto molta attenzione come un importante progresso nella tecnologia QCL terahertz. Il lavoro è stato svolto da dottorandi, compreso Yuan Jin, supervisionato da Kumar e in collaborazione con Sandia National Laboratories.

Ora, Kumar, Jin e John L. Reno di Sandia stanno segnalando un'altra svolta nella tecnologia dei terahertz:hanno sviluppato una nuova tecnica ad aggancio di fase per i laser plasmonici e, attraverso il suo utilizzo, raggiunto una potenza record per i laser terahertz. Il loro laser ha prodotto la massima efficienza radiativa per qualsiasi laser a cascata quantica a semiconduttore a lunghezza d'onda singola. Questi risultati sono spiegati in un documento, "Array laser plasmonico terahertz ad aggancio di fase con potenza di uscita di 2 W in una modalità spettrale singola" pubblicato ieri in ottica .

"Al meglio delle nostre conoscenze, l'efficienza radiativa dei nostri laser terahertz è la più alta dimostrata finora per qualsiasi QCL a lunghezza d'onda singola ed è il primo rapporto di un'efficienza radiativa superiore al 50% raggiunta in tali QCL, " ha detto Kumar. "Un'efficienza radiativa così elevata ha superato le nostre aspettative, ed è anche uno dei motivi per cui la potenza in uscita dal nostro laser è significativamente maggiore di quanto ottenuto in precedenza."

Per migliorare la potenza ottica e la qualità del raggio dei laser a semiconduttore, gli scienziati utilizzano spesso il blocco di fase, un sistema di controllo elettromagnetico che forza una serie di cavità ottiche a emettere radiazioni in sequenza. QCL terahertz, che utilizzano cavità ottiche con rivestimenti metallici (claddings) per il confinamento della luce, sono una classe di laser noti come laser plasmonici noti per le loro scarse proprietà radiative. Nella letteratura precedente è disponibile solo un numero limitato di tecniche, dicono, che potrebbe essere utilizzato per migliorare l'efficienza radiativa e la potenza di uscita di tali laser plasmonici con margini significativi.

"Il nostro articolo descrive un nuovo schema ad aggancio di fase per i laser plasmonici che è nettamente diverso dalla precedente ricerca sui laser ad aggancio di fase nella vasta letteratura sui laser a semiconduttore, " dice Jin. "Il metodo dimostrato utilizza onde di superficie viaggianti di radiazione elettromagnetica come strumento per l'aggancio di fase delle cavità ottiche plasmoniche. L'efficacia del metodo è dimostrata dal raggiungimento di una potenza di uscita record per i laser terahertz che è stata aumentata di un ordine di grandezza rispetto al lavoro precedente".

Onde di superficie viaggianti che si propagano lungo lo strato metallico delle cavità, ma fuori nel mezzo circostante delle cavità piuttosto che dentro, è un metodo unico che è stato sviluppato nel gruppo Kumar negli ultimi anni e che continua ad aprire nuove strade per ulteriori innovazioni. Il team prevede che il livello di potenza in uscita dei loro laser potrebbe portare a collaborazioni tra ricercatori laser e scienziati delle applicazioni verso lo sviluppo della spettroscopia terahertz e delle piattaforme di rilevamento basate su questi laser.

Questa innovazione nella tecnologia QCL è il risultato di uno sforzo di ricerca a lungo termine da parte del laboratorio di Kumar a Lehigh. Kumar e Jin hanno sviluppato insieme l'idea finalmente implementata attraverso il design e la sperimentazione per un periodo di circa due anni. La collaborazione con il Dr. Reno dei Sandia National Laboratories ha permesso a Kumar e al suo team di ricevere materiale semiconduttore per formare il mezzo ottico a cascata quantistica per questi laser.

L'innovazione principale in questo lavoro, secondo i ricercatori, è nel disegno delle cavità ottiche, che è alquanto indipendente dalle proprietà del materiale semiconduttore. Lo strumento di incisione al plasma accoppiato induttivamente (ICP) di recente acquisizione presso il CPN di Lehigh ha svolto un ruolo fondamentale nello spingere i limiti delle prestazioni di questi laser, dicono.

Questa ricerca rappresenta un cambiamento di paradigma nel modo in cui tali laser terahertz a lunghezza d'onda singola con fasci stretti vengono sviluppati e saranno sviluppati in futuro, dice Kumar, aggiungendo:"Penso che il futuro dei laser terahertz sia molto brillante".