Um grupo de cientistas da TU Wien e da ETH Zurich teve sucesso em suas tentativas de gerar pulsos de luz terahertz ultracurtos. Com durações de apenas alguns picossegundos, esses pulsos são ideais para aplicações espectroscópicas e permitem medições de frequência extremamente precisas.

As propriedades únicas da radiação terahertz significam que é de interesse para uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo imagens médicas não invasivas e a detecção de substâncias perigosas. As ondas Terahertz podem penetrar muitos materiais que são opacos à luz visível e, ao contrário da radiação X, não representam risco de dano ao tecido biológico. Além disso, muitas substâncias têm uma impressão digital molecular na faixa de terahertz, permitindo que eles sejam detectados usando métodos espectroscópicos. Uma maneira eficiente de gerar essas ondas terahertz é usar lasers em cascata quântica, que um grupo de trabalho liderado pelo Prof. Karl Unterrainer no Instituto de Fotônica da TU Wien tem pesquisado e desenvolvido. Lasers em cascata quântica consistem em uma sequência precisamente definida de várias centenas de camadas semicondutoras que medem apenas alguns nanômetros de espessura. Esta construção especial significa que existe a liberdade de selecionar o estado de energia exato em que os elétrons permanecem dentro da estrutura semicondutora. Isso permite que a frequência da luz laser emitida seja ajustada para se adequar à aplicação em questão.

Criação de um pente de frequência com um 'sanduíche de laser' de banda larga

Com esta característica especial de ser capaz de determinar os próprios comprimentos de onda do laser, várias estruturas em cascata quântica com diferentes frequências de emissão podem ser empilhadas umas sobre as outras, com o objetivo de gerar radiação terahertz de banda larga. "Zonas ativas heterogêneas desse tipo são ideais para implementar amplificadores terahertz de banda larga e gerar pulsos terahertz ultracurtos, "explica Dominic Bachmann, do Photonics Institute. Além disso, se as linhas de laser discretas estão ligadas entre si para estabelecer uma relação de fase fixa entre os modos de laser, algo conhecido como 'pente de frequência' será criado. Os pentes de frequência tornam possível fazer medições extremamente precisas da frequência absoluta da luz que está sendo usada, o que é essencial para um grande número de aplicações. A descoberta do pente de frequência revolucionou mais ou menos a metrologia óptica e foi homenageado com o Prêmio Nobel de Física em 2005. Nos últimos quatro anos, pesquisadores têm trabalhado arduamente para gerar um pente de frequência terahertz usando um laser em cascata quântica como parte do projeto TERACOMB da UE. Liderado pelo Dr. Juraj Darmo do Instituto de Fotônica, a equipe de grupos de pesquisa internacionais conseguiu gerar o primeiro pente de frequência terahertz de banda larga com base na tecnologia de semicondutores.

Assistindo lasers no trabalho

Um método desenvolvido pelo grupo liderado pelo Prof. Unterrainer torna possível analisar os parâmetros internos do laser em cascata quântica durante a operação do laser. Esta técnica é baseada na espectroscopia resolvida no tempo, com pulsos terahertz de banda larga penetrando na amostra a ser medida. Com base em lasers de femtossegundos, essa tecnologia pode ser usada para coletar todo o conteúdo de informações relacionadas à faixa de tempo e frequência com apenas uma única medição. Como resultado, os cientistas do Instituto de Fotônica conseguiram quantificar os coeficientes de ganho óptico, bem como a dispersão óptica em lasers de cascata quântica terahertz de banda larga, melhorando sua compreensão da dinâmica complexa em jogo. "Essas descobertas nos permitem aumentar a largura de banda do laser ainda mais e melhorar a eficiência dos combs de frequência, "explica Juraj Darmo.

Perdas de segmentação

Um problema não resolvido com lasers em cascata quântica terahertz era a existência de linhas de laser com diferentes velocidades de propagação. Se houver modos de laser com uma ordem lateral superior, a intensidade é distribuída de forma muito desigual entre as linhas de laser, reduzindo assim a largura de banda utilizável e evitando a geração de um pente de frequência. Para impedir que esses modos oscilem, as perdas devem ser aumentadas de forma que não atinjam o limiar do laser. Ao adicionar um absorvedor lateral personalizado às bordas do ressonador a laser, os pesquisadores conseguiram suprimir inteiramente os modos laterais superiores, sem ter nenhum impacto relevante nos modos fundamentais. O resultado foi uma largura de banda de emissão cobrindo uma oitava inteira, distribuição de modo muito uniforme no meio em 700 GHz, e um pente de frequência com largura de banda de 440 GHz. O que mais, os absorvedores laterais permitem a geração de pulsos de terahertz ultracurtos com larguras de pulso de menos de 3 ps, que representa um novo recorde mundial para pulsos de terahertz gerados usando um laser em cascata quântica. "Foi realmente incrível ver como um ajuste relativamente pequeno no guia de ondas poderia trazer uma melhoria tão dramática, "explica Dominic Bachmann, que acabou de escrever sua dissertação sobre lasers em cascata quântica de banda larga.