Un láser de terahercios diseñado por investigadores del MIT es el primero en alcanzar tres objetivos clave de rendimiento a la vez:alta potencia constante, patrón de haz estrecho, y amplia sintonización de frecuencia eléctrica, y por lo tanto podría ser valiosa para una amplia gama de aplicaciones en detección e imágenes químicas.

El láser optimizado se puede utilizar para detectar elementos interestelares en una próxima misión de la NASA que tiene como objetivo aprender más sobre los orígenes de nuestra galaxia. Aquí en la tierra, El láser de alambre fotónico de alta potencia también podría usarse para mejorar la obtención de imágenes de cáncer de mama y de piel. detección de drogas y explosivos, y mucho más.

El novedoso diseño del láser combina múltiples semiconductores, láseres de alambre eficientes y los obliga a "bloqueo de fase, "u oscilaciones de sincronización. La combinación de la salida de los pares a lo largo de la matriz produce una haz de alta potencia con mínima divergencia del haz. Los ajustes a los láseres acoplados individuales permiten una amplia sintonización de frecuencia para mejorar la resolución y la fidelidad en las mediciones. Lograr las tres métricas de rendimiento significa menos ruido y mayor resolución, para una detección química e imágenes médicas más fiables y rentables, dicen los investigadores.

"La gente ha realizado ajustes de frecuencia en láseres, o hizo un láser con alta calidad de haz, o con alta potencia de onda continua. Pero cada diseño carece de los otros dos factores, "dice Ali Khalatpour, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y primer autor de un artículo que describe el láser, publicado hoy en Fotónica de la naturaleza . "Esta es la primera vez que logramos las tres métricas al mismo tiempo en láseres de terahercios basados ​​en chips".

"Es como 'un anillo para gobernarlos a todos, '", Añade Khalatpour, refiriéndose a la frase popular de El Señor de los Anillos .

Junto a Khalatpour en el papel están:Qing Hu, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT que ha realizado un trabajo pionero en láseres de cascada cuántica de terahercios; y John L. Reno de Sandia National Laboratories.

Seleccionado por la NASA

El año pasado, La NASA anunció el Observatorio Espectroscópico de Terahercios ULDB Galáctico / Extragaláctico (GUSTO), una misión en 2021 para enviar un telescopio a gran altitud basado en globos que lleva láseres de alambre fotónico para detectar oxígeno, carbón, y las emisiones de nitrógeno del "medio interestelar, "el material cósmico entre las estrellas. Los datos extensos recopilados durante unos meses proporcionarán información sobre el nacimiento y la evolución de las estrellas, y ayudar a mapear más de la Vía Láctea y las galaxias de la Gran Nube de Magallanes cercanas.

Para un componente del detector químico GUSTO, La NASA seleccionó un nuevo láser de terahercios basado en semiconductores diseñado previamente por los investigadores del MIT. Actualmente es el láser de terahercios de mejor rendimiento. Dichos láseres son especialmente adecuados para la medición espectroscópica de concentraciones de oxígeno en radiación de terahercios, la banda del espectro electromagnético entre microondas y luz visible.

Los láseres de terahercios pueden enviar radiación coherente a un material para extraer la "huella digital" espectral del material. Los diferentes materiales absorben la radiación de terahercios en diferentes grados, lo que significa que cada uno tiene una huella digital única que aparece como una línea espectral. Esto es especialmente valioso en el rango de 1-5 terahercios:para la detección de contrabando, por ejemplo, la firma de la heroína se ve alrededor de 1,42 y 3,94 terahercios, y la cocaína ronda los 1,54 terahercios.

Durante años, El laboratorio de Hu ha estado desarrollando nuevos tipos de láseres de cascada cuántica, llamados "láseres de alambre fotónico". Como muchos láseres, estos son bidireccionales, lo que significa que emiten luz en direcciones opuestas, lo que los hace menos poderosos. En láseres tradicionales, ese problema se soluciona fácilmente con espejos cuidadosamente colocados dentro del cuerpo del láser. Pero es muy difícil de arreglar en láseres de terahercios, debido a que la radiación de terahercios es tan larga, y el láser tan pequeño, que la mayor parte de la luz viaja fuera del cuerpo del láser.

En el láser seleccionado para GUSTO, los investigadores habían desarrollado un diseño novedoso para las guías de onda de los láseres de alambre, que controlan cómo viaja la onda electromagnética a lo largo del láser, para emitir unidireccionalmente. Esto logró una alta eficiencia y calidad del haz, pero no permitía la sintonización de frecuencia, que requería la NASA.

Tomando una página de la química

Sobre la base de su diseño anterior, Khalatpour se inspiró en una fuente poco probable:la química orgánica. Mientras toma una clase de pregrado en el MIT, Khalatpour tomó nota de una larga cadena de polímero con átomos alineados a lo largo de dos lados. Estaban "vinculados a pi, "lo que significa que sus orbitales moleculares se superponen para hacer que el enlace sea más estable. Los investigadores aplicaron el concepto de enlace pi a sus láseres, donde crearon conexiones cercanas entre láseres de alambre independientes a lo largo de una matriz. Este novedoso esquema de acoplamiento permite el bloqueo de fase de láseres de dos o múltiples hilos.

Para lograr la sintonización de frecuencia, los investigadores usan "perillas" diminutas para cambiar la corriente de cada láser de alambre, que cambia ligeramente la forma en que la luz viaja a través del láser, llamado índice de refracción. Ese cambio de índice de refracción, cuando se aplica a láseres acoplados, crea un cambio de frecuencia continuo a la frecuencia central del par.

Para experimentos, los investigadores fabricaron una serie de 10 láseres de alambre acoplados pi. El láser funcionó con sintonización de frecuencia continua en un lapso de aproximadamente 10 gigahercios, y una potencia de salida de aproximadamente 50 a 90 milivatios, dependiendo de cuántos pares de láser pi-acoplados haya en la matriz. El haz tiene una divergencia de haz bajo de 10 grados, que es una medida de cuánto se desvía el rayo de su foco a lo largo de las distancias.

Los investigadores también están construyendo actualmente un sistema para la obtención de imágenes con un alto rango dinámico (superior a 110 decibeles) que se puede utilizar en muchas aplicaciones, como la obtención de imágenes de cáncer de piel. Las células cancerosas de la piel absorben ondas de terahercios con más fuerza que las células sanas, por lo que los láseres de terahercios podrían potencialmente detectarlos. Los láseres utilizados anteriormente para la tarea, sin embargo, son masivas e ineficientes, y no sintonizable en frecuencia. El dispositivo del tamaño de un chip de los investigadores coincide o supera a esos láseres en potencia de salida, y ofrece capacidades de ajuste.

"Tener una plataforma con todas esas métricas de rendimiento juntas ... podría mejorar significativamente las capacidades de imagen y ampliar sus aplicaciones, "Dice Khalatpour.

"Este es un trabajo muy agradable; en el [rango] THz, ha sido muy difícil obtener altos niveles de potencia de láseres simultáneamente con buenos patrones de haz, "dice Benjamin Williams, profesor asociado de electrónica física y de ondas en la Universidad de California en Los Ángeles. "La innovación es la forma novedosa que han utilizado para acoplar los láseres de varios cables. Esto es complicado, ya que si todos los láseres de la matriz no irradian en fase, entonces el patrón del haz se arruinará. Han demostrado que al espaciar adecuadamente los láseres de alambre adyacentes, se les puede persuadir para que “deseen” operar en un supermodo simétrico coherente, todos irradiando colectivamente al mismo tiempo. Como bonificación, la frecuencia del láser se puede sintonizar ... a la longitud de onda deseada, una característica importante para la espectroscopia y ... para la astrofísica ".

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.