Outrora a arma preferida dos loucos dos filmes B e dos heróis da ficção espacial, o laser - um dispositivo que gera um feixe intenso de radiação eletromagnética coerente ao estimular a emissão de fótons de átomos ou moléculas excitadas - ficou um pouco domesticado nos últimos tempos.

Nos dias de hoje, tem um emprego estável na indústria, e passa seu tempo livre imprimindo documentos em escritórios domésticos e reproduzindo filmes em cinemas domésticos. Aqui e ali, ele aparece em jornais médicos e notícias militares, mas basicamente se reduziu à leitura de códigos de barras no caixa do supermercado - uma tecnologia que perdeu seu mojo.

Mas os lasers ainda são legais, insiste Sushil Kumar da Lehigh University, com vasto potencial de inovação que apenas começamos a explorar. E com o apoio da National Science Foundation (NSF), ele está em uma missão para provar isso.

Kumar, um professor associado de engenharia elétrica e da computação, concentra-se especificamente em lasers que surgem de uma região relativamente inexplorada no espectro eletromagnético, o terahertz (THz), ou infravermelho distante, frequência. Um pesquisador na vanguarda da tecnologia de laser de 'cascata quântica' de semicondutores THz, ele e seus colegas publicaram resultados recordes mundiais para operação em alta temperatura e outras características importantes de desempenho de tais lasers.

Seu objetivo é desenvolver dispositivos que abram uma ampla gama de aplicações possíveis:sensoriamento químico e biológico, espectroscopia, detecção de explosivos e outros materiais contrabandeados, diagnóstico de doença, controle de qualidade em produtos farmacêuticos, e até mesmo sensoriamento remoto em astronomia para entender a formação de estrelas e galáxias, apenas para citar alguns. (Coisas muito legais ... o pessoal na fila do caixa ficaria impressionado.)

No entanto, apesar dos benefícios conhecidos, Kumar diz que os lasers terahertz foram subutilizados e explorados; o alto custo e as limitações funcionais impediram a inovação que levaria a tal uso. Kumar, Contudo, acredita que está no caminho certo para realmente liberar o poder da tecnologia de laser THz; ele recentemente recebeu uma bolsa da NSF, Matrizes com bloqueio de fase de lasers terahertz de alta potência com feixes ultra estreitos, com o objetivo de criar lasers THz que produzam intensidades ópticas muito maiores do que as possíveis atualmente - e potencialmente remover as barreiras para a pesquisa em larga escala e a adoção comercial.

Focando em uma solução

De acordo com Kumar, a região terahertz do espectro eletromagnético é significativamente subdesenvolvida devido à falta de fontes de radiação de alta potência. As fontes existentes apresentam baixa potência de saída e outras características espectrais indesejadas, o que as torna inadequadas para aplicações sérias. Seu projeto atual visa desenvolver lasers semicondutores de terahertz com frequência de emissão precisa de até 100 miliwatts de potência óptica média - uma melhoria de duas ordens de magnitude em relação à tecnologia atual - em um feixe estreito com significativamente menos de cinco graus de divergência angular.

Kumar trabalha com lasers em cascata quântica (QCLs). Esses dispositivos foram originalmente inventados para a emissão de radiação infravermelha média. Eles só recentemente começaram a fazer uma marca nas frequências THz, e nessa faixa eles sofrem de vários desafios adicionais. Neste ambiente de ponta, O grupo de Kumar está entre os poucos selecionados no mundo que estão progredindo em direção à produção viável e de baixo custo desses lasers.

A abordagem pretendida por Kumar melhorará significativamente a saída de energia e a qualidade do feixe dos QCLs. Um portátil, O criooler eletricamente operado fornecerá o resfriamento de temperatura necessário para os chips de laser semicondutor; estes conterão matrizes QCL com bloqueio de fase, emitindo em uma faixa de frequências discretas de terahertz determinadas pela aplicação desejada.

Em trabalhos anteriores, Kumar e seu grupo mostraram que os lasers THz (emitindo em um comprimento de onda de aproximadamente 100 mícrons) podiam emitir um feixe de luz focalizado utilizando uma técnica chamada feedback distribuído. A energia da luz em seu laser está confinada dentro de uma cavidade imprensada entre duas placas metálicas separadas por uma distância de 10 mícrons. Usando uma cavidade em forma de caixa medindo 10 mícrons por 100 mícrons por 1, 400 mícrons (1,4 milímetros), o grupo produziu um laser terahertz com um ângulo de divergência do feixe de apenas 4 graus por 4 graus, a divergência mais estreita já alcançada para esses lasers terahertz.

Kumar acredita que a maioria das empresas que atualmente empregam lasers de infravermelho médio estaria interessada em potentes, QCLs terahertz acessíveis, e que a própria tecnologia gerará novas soluções.

"O iPhone precisava existir antes que os desenvolvedores pudessem escrever os 'aplicativos matadores' que o tornaram um produto doméstico, "diz ele." Da mesma forma, estamos trabalhando em uma tecnologia que possa permitir que futuros pesquisadores mudem o mundo de maneiras que ainda não foram consideradas. "