Los láseres de terahercios pronto podrían tener su momento. Emitiendo radiación que se encuentra en algún lugar entre las microondas y la luz infrarroja a lo largo del espectro electromagnético, Los láseres de terahercios han sido objeto de un intenso estudio debido a su capacidad para penetrar materiales de embalaje comunes como los plásticos, tejidos y cartón y utilizarse para la identificación y detección de diversas sustancias químicas y especies biomoleculares, e incluso para obtener imágenes de algunos tipos de tejido biológico sin causar daño. Cumplir con el potencial de los láseres de terahercios para nosotros depende de mejorar su intensidad y brillo, logrado mejorando la salida de potencia y la calidad del haz.

Sushil Kumar, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Lehigh, y su equipo de investigación están trabajando a la vanguardia de la tecnología láser de "cascada cuántica" (QCL) de semiconductores de terahercios. En 2018, Kumar, quien también está afiliado al Centro de Fotónica y Nanoelectrónica (CPN) de Lehigh informó sobre una técnica simple pero efectiva para mejorar la salida de potencia de los láseres monomodo basada en un nuevo tipo de mecanismo de "retroalimentación distribuida". Los resultados fueron publicados en la revista Naturaleza Comunicaciones y recibió mucha atención como un avance importante en la tecnología QCL de terahercios. El trabajo fue realizado por estudiantes de posgrado, incluyendo a Yuan Jin, supervisado por Kumar y en colaboración con Sandia National Laboratories.

Ahora, Kumar, Jin y John L. Reno de Sandia informan sobre otro avance tecnológico en terahercios:han desarrollado una nueva técnica de bloqueo de fase para láseres plasmónicos y, a través de su uso, logró una potencia de salida récord para láseres de terahercios. Su láser produjo la mayor eficiencia radiativa para cualquier láser de cascada cuántica de semiconductor de longitud de onda única. Estos resultados se explican en un documento, "Matriz de láser plasmónico de terahercios de fase bloqueada con 2 W de potencia de salida en un modo espectral único", publicado ayer en Optica .

"A lo mejor de nuestro conocimiento, La eficiencia radiativa de nuestros láseres de terahercios es la más alta demostrada hasta la fecha para cualquier QCL de longitud de onda única y es el primer informe de una eficiencia radiativa superior al 50% lograda en dichos QCL. ", dijo Kumar." Una eficiencia radiativa tan alta superó nuestras expectativas, y también es una de las razones por las que la potencia de salida de nuestro láser es significativamente mayor que la que se ha logrado anteriormente ".

Para mejorar la salida de potencia óptica y la calidad del haz de los láseres semiconductores, los científicos a menudo utilizan bloqueo de fase, un sistema de control electromagnético que obliga a una serie de cavidades ópticas a emitir radiación en el paso de bloqueo. QCL de terahercios, que utilizan cavidades ópticas con revestimientos metálicos (revestimientos) para el confinamiento de la luz, son una clase de láseres conocidos como láseres plasmónicos que son conocidos por sus pobres propiedades radiantes. Hay solo un número limitado de técnicas disponibles en la literatura anterior, ellos dicen, que podría utilizarse para mejorar la eficiencia radiativa y la potencia de salida de tales láseres plasmónicos por márgenes significativos.

"Nuestro artículo describe un nuevo esquema de bloqueo de fase para láseres plasmónicos que es claramente diferente de la investigación anterior sobre láseres de bloqueo de fase en la vasta literatura sobre láseres semiconductores, "dice Jin." El método demostrado utiliza ondas superficiales viajeras de radiación electromagnética como una herramienta para el bloqueo de fase de las cavidades ópticas plasmónicas. La eficacia del método se demuestra al lograr una potencia de salida récord para láseres de terahercios que se ha incrementado en un orden de magnitud en comparación con trabajos anteriores ".

Ondas de superficie viajeras que se propagan a lo largo de la capa metálica de las cavidades, pero afuera en el medio circundante de las cavidades en lugar de adentro, es un método único que se ha desarrollado en el grupo de Kumar en los últimos años y que continúa abriendo nuevas vías para una mayor innovación. El equipo espera que el nivel de potencia de salida de sus láseres pueda conducir a colaboraciones entre investigadores de láser y científicos de aplicaciones para el desarrollo de espectroscopía de terahercios y plataformas de detección basadas en estos láseres.

Esta innovación en la tecnología QCL es el resultado de un esfuerzo de investigación a largo plazo del laboratorio de Kumar en Lehigh. Kumar y Jin desarrollaron conjuntamente la idea finalmente implementada a través del diseño y la experimentación durante un período de aproximadamente dos años. La colaboración con el Dr. Reno de Sandia National Laboratories permitió a Kumar y su equipo recibir material semiconductor para formar el medio óptico de cascada cuántica para estos láseres.

La principal innovación en este trabajo, según los investigadores, está en el diseño de las cavidades ópticas, que es algo independiente de las propiedades del material semiconductor. La herramienta de grabado de plasma acoplado inductivamente (ICP) recién adquirida en el CPN de Lehigh desempeñó un papel fundamental en la superación de los límites de rendimiento de estos láseres. ellos dicen.

Esta investigación representa un cambio de paradigma en la forma en que se desarrollan tales láseres de terahercios de longitud de onda única con haces estrechos y se desarrollarán en el futuro. dice Kumar, y agregó:"Creo que el futuro de los láseres de terahercios se ve muy brillante".