La radiación de terahercios, la banda del espectro electromagnético entre las microondas y la luz visible, tiene aplicaciones prometedoras en las imágenes médicas e industriales y la detección química. entre otros usos.

Pero muchas de esas aplicaciones dependen de pequeños fuentes energéticamente eficientes de rayos de terahercios, y el método estándar para producirlos implica un voluminoso, hambrientos de poder, dispositivo de sobremesa.

Durante más de 20 años, Qing Hu, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT, y su grupo han estado trabajando en fuentes de radiación de terahercios que pueden grabarse en microchips. En el último número de Fotónica de la naturaleza , miembros del grupo de Hu y colegas de Sandia National Laboratories y la Universidad de Toronto describen un diseño novedoso que aumenta la potencia de salida de los láseres de terahercios montados en chips en un 80 por ciento.

Como informó la fuente de terahercios montada en chip con mejor rendimiento hasta la fecha, El dispositivo de los investigadores ha sido seleccionado por la NASA para proporcionar emisión de terahercios para su misión del Observatorio Espectroscópico de Terahercios ULDB Galáctico / Extragaláctico (GUSTO). La misión tiene como objetivo determinar la composición del medio interestelar, o la materia que llena el espacio entre estrellas, y utiliza rayos de terahercios porque son especialmente adecuados para la medición espectroscópica de concentraciones de oxígeno. Debido a que la misión desplegará globos cargados de instrumentos a la atmósfera superior de la Tierra, el emisor de terahercios debe ser liviano.

El diseño de los investigadores es una nueva variación de un dispositivo llamado láser de cascada cuántica con retroalimentación distribuida. "Empezamos con esto porque era el mejor que existe, "dice Ali Khalatpour, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del artículo. "Tiene el rendimiento óptimo para terahercios".

Hasta ahora, sin embargo, el dispositivo ha tenido un gran inconveniente, que es que, naturalmente, emite radiación en dos direcciones opuestas. Dado que la mayoría de las aplicaciones de radiación de terahercios requieren luz dirigida, eso significa que el dispositivo desperdicia la mitad de su producción de energía. Khalatpour y sus colegas encontraron una manera de redirigir el 80 por ciento de la luz que generalmente sale por la parte posterior del láser. para que viaje en la dirección deseada.

Como explica Khalatpour, El diseño de los investigadores no está vinculado a ningún "medio de ganancia, "o combinación de materiales en el cuerpo del láser.

"Si obtenemos un medio de ganancia mejor, podemos duplicar su potencia de salida, también, ", Dice Khalatpour." Aumentamos la potencia sin diseñar un nuevo medio activo, lo cual es bastante difícil. Generalmente, incluso un aumento del 10 por ciento requiere mucho trabajo en todos los aspectos del diseño ".

Grandes olas

De hecho, emisión bidireccional, o emisión de luz en direcciones opuestas, es una característica común de muchos diseños de láser. Con láseres convencionales, sin embargo, se remedia fácilmente colocando un espejo sobre un extremo del láser.

Pero la longitud de onda de la radiación de terahercios es tan larga, y los nuevos láseres de los investigadores, conocidos como láseres de alambre fotónico, son tan pequeños, que gran parte de la onda electromagnética que viaja a lo largo del láser se encuentra en realidad fuera del cuerpo del láser. Un espejo en un extremo del láser reflejaría una pequeña fracción de la energía total de la onda.

La solución de Khalatpour y sus colegas a este problema explota una peculiaridad del diseño del diminuto láser. Un láser de cascada cuántica consiste en una larga cresta rectangular llamada guía de ondas. En la guía de ondas, los materiales están dispuestos de modo que la aplicación de un campo eléctrico induzca una onda electromagnética a lo largo de la guía de ondas.

Esta ola sin embargo, es lo que se llama una "onda estacionaria". Si se puede pensar en una onda electromagnética como un garabato regular hacia arriba y hacia abajo, luego, la onda se refleja hacia adelante y hacia atrás en la guía de ondas de tal manera que las crestas y valles de las reflexiones coinciden perfectamente con las de las ondas que se mueven en la dirección opuesta. Una onda estacionaria es esencialmente inerte y no irradiará fuera de la guía de ondas.

Entonces, el grupo de Hu corta ranuras regularmente espaciadas en la guía de ondas, que permiten que los rayos de terahercios se irradien. "Imagina que tienes una pipa, y haces un agujero, y sale el agua, ", Dice Khalatpour. Las rendijas están espaciadas de modo que las ondas que emiten se refuerzan entre sí (sus crestas coinciden) sólo a lo largo del eje de la guía de ondas. En ángulos más oblicuos de la guía de ondas, se anulan mutuamente.

Rompiendo la simetría

En el nuevo trabajo Khalatpour y sus coautores:Hu, John Reno de Sandia, y Nazir Kherani, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Toronto:simplemente coloque reflectores detrás de cada uno de los orificios de la guía de ondas, un paso que se puede incorporar sin problemas al proceso de fabricación que produce la guía de ondas en sí.

Los reflectores son más anchos que la guía de ondas, y están espaciados de modo que la radiación que reflejan refuerce la onda de terahercios en una dirección pero la cancela en la otra. Parte de la onda de terahercios que se encuentra fuera de la guía de ondas todavía pasa alrededor de los reflectores, pero el 80 por ciento de la energía que habría salido de la guía de ondas en la dirección incorrecta ahora se redirige hacia el otro lado.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.