A radiação Terahertz - a banda do espectro eletromagnético entre as microondas e a luz visível - tem aplicações promissoras em imagens médicas e industriais e detecção química, entre outros usos.

Mas muitos desses aplicativos dependem de pequenos, fontes eficientes de energia de raios terahertz, e o método padrão para produzi-los envolve um volumoso, fome de poder, dispositivo de mesa.

Por mais de 20 anos, Qing Hu, um distinto professor de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT, e seu grupo tem trabalhado em fontes de radiação terahertz que podem ser gravadas em microchips. Na última edição da Nature Photonics , membros do grupo de Hu e colegas do Sandia National Laboratories e da University of Toronto descrevem um novo design que aumenta a potência de lasers terahertz montados em chip em 80 por cento.

Como a fonte terahertz montada em chip de melhor desempenho já relatada, o dispositivo dos pesquisadores foi selecionado pela NASA para fornecer emissão terahertz para sua missão Galactic / Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO). A missão visa determinar a composição do meio interestelar, ou a matéria que preenche o espaço entre as estrelas, e está usando raios terahertz porque eles são especialmente adequados para medições espectroscópicas de concentrações de oxigênio. Como a missão implantará balões carregados de instrumentos na atmosfera superior da Terra, o emissor de terahertz precisa ser leve.

O projeto dos pesquisadores é uma nova variação de um dispositivo chamado laser em cascata quântica com feedback distribuído. "Começamos com isso porque era o melhor que havia, "diz Ali Khalatpour, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação e primeiro autor do artigo. "Ele tem o desempenho ideal para terahertz."

Até agora, Contudo, o dispositivo tem uma grande desvantagem, que é que ele emite radiação naturalmente em duas direções opostas. Uma vez que a maioria das aplicações de radiação terahertz requer luz direcionada, isso significa que o dispositivo desperdiça metade de sua produção de energia. Khalatpour e seus colegas encontraram uma maneira de redirecionar 80 por cento da luz que geralmente sai pela parte de trás do laser, para que ele viaje na direção desejada.

Como Khalatpour explica, o projeto dos pesquisadores não está vinculado a nenhum "meio de ganho específico, "ou combinação de materiais no corpo do laser.

"Se encontrarmos um meio de ganho melhor, podemos dobrar sua potência de saída, também, "Khalatpour diz." Aumentamos a potência sem projetar um novo meio ativo, o que é muito difícil. Usualmente, mesmo um aumento de 10% exige muito trabalho em todos os aspectos do design. "

Ondas grandes

Na verdade, emissão bidirecional, ou emissão de luz em direções opostas, é uma característica comum de muitos designs de laser. Com lasers convencionais, Contudo, é facilmente remediado colocando um espelho sobre uma das extremidades do laser.

Mas o comprimento de onda da radiação terahertz é tão longo, e os novos lasers dos pesquisadores - conhecidos como lasers de fio fotônico - são tão pequenos, que grande parte da onda eletromagnética que percorre o comprimento do laser está na verdade fora do corpo do laser. Um espelho em uma extremidade do laser refletiria de volta uma pequena fração da energia total da onda.

A solução de Khalatpour e seus colegas para esse problema explora uma peculiaridade do design do minúsculo laser. Um laser em cascata quântica consiste em uma longa crista retangular chamada guia de ondas. No guia de ondas, os materiais são dispostos de modo que a aplicação de um campo elétrico induza uma onda eletromagnética ao longo do comprimento do guia de ondas.

Esta onda, Contudo, é o que é chamado de "onda estacionária". Se uma onda eletromagnética pode ser considerada um rabisco regular para cima e para baixo, então a onda reflete para a frente e para trás no guia de ondas de tal forma que as cristas e vales das reflexões coincidem perfeitamente com as das ondas que se movem na direção oposta. Uma onda estacionária é essencialmente inerte e não irradiará para fora do guia de ondas.

Então, o grupo de Hu corta fendas espaçadas regularmente no guia de ondas, que permitem a irradiação de raios terahertz. “Imagine que você tem um cachimbo, e você faz um buraco, e a água sai, "Khalatpour diz. As fendas são espaçadas para que as ondas que emitem se reforcem - suas cristas coincidem - apenas ao longo do eixo do guia de ondas. Em ângulos mais oblíquos do guia de ondas, Eles anulam-se.

Quebrando simetria

No novo trabalho, Khalatpour e seus co-autores - Hu, John Reno de Sandia, e Nazir Kherani, professor de ciência dos materiais da Universidade de Toronto - basta colocar refletores atrás de cada um dos orifícios do guia de ondas, uma etapa que pode ser incorporada perfeitamente ao processo de fabricação que produz o próprio guia de ondas.

Os refletores são mais largos do que o guia de ondas, e eles são espaçados de forma que a radiação que eles refletem reforce a onda terahertz em uma direção, mas a cancele na outra. Parte da onda terahertz que fica fora do guia de ondas ainda passa ao redor dos refletores, mas 80 por cento da energia que teria saído do guia de ondas na direção errada agora é redirecionada para o outro lado.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.