Um laser terahertz projetado por pesquisadores do MIT é o primeiro a atingir três objetivos principais de desempenho de uma vez - alta potência constante, padrão de feixe estreito, e ampla sintonia de frequência elétrica - e, portanto, pode ser valiosa para uma ampla gama de aplicações em sensoriamento químico e imagem.

O laser otimizado pode ser usado para detectar elementos interestelares em uma missão da NASA que pretende aprender mais sobre as origens de nossa galáxia. Aqui na Terra, o laser de fio fotônico de alta potência também pode ser usado para melhorar a imagem do câncer de pele e de mama, detectar drogas e explosivos, e muito mais.

O novo design do laser emparelha múltiplos baseados em semicondutores, lasers de fio eficientes e os força a "bloqueio de fase, "ou oscilações de sincronização. Combinar a saída dos pares ao longo da matriz produz um único, feixe de alta potência com divergência de feixe mínima. Os ajustes aos lasers acoplados individuais permitem um amplo ajuste de frequência para melhorar a resolução e a fidelidade nas medições. Alcançar todas as três métricas de desempenho significa menos ruído e maior resolução, para detecção de produtos químicos e imagens médicas mais confiáveis ​​e econômicas, dizem os pesquisadores.

"As pessoas fizeram ajuste de frequência em lasers, ou fez um laser com alta qualidade de feixe, ou com alta potência de onda contínua. Mas cada projeto carece dos outros dois fatores, "diz Ali Khalatpour, um estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação e o primeiro autor em um artigo que descreve o laser, publicado hoje em Nature Photonics . "Esta é a primeira vez que alcançamos todas as três métricas ao mesmo tempo em lasers terahertz baseados em chip."

"É como 'um anel para governar todos eles, '"Khalatpour acrescenta, referindo-se à frase popular de O senhor dos Anéis .

Juntando-se a Khalatpour no papel estão:Qing Hu, um distinto professor de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT que fez um trabalho pioneiro em lasers quânticos terahertz em cascata; e John L. Reno dos Laboratórios Nacionais Sandia.

Selecionado pela NASA

Ano passado, NASA anunciou o Galactic / Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO), uma missão de 2021 para enviar um telescópio baseado em balão de alta altitude carregando lasers de fio fotônico para detectar oxigênio, carbono, e as emissões de nitrogênio do "meio interestelar, "o material cósmico entre as estrelas. Dados extensos coletados ao longo de alguns meses fornecerão uma visão sobre o nascimento e a evolução das estrelas, e ajudar a mapear mais da Via Láctea e das galáxias da Grande Nuvem de Magalhães nas proximidades.

Para um componente do detector químico GUSTO, A NASA selecionou um novo laser terahertz baseado em semicondutor projetado anteriormente pelos pesquisadores do MIT. Atualmente, é o laser terahertz de melhor desempenho. Esses lasers são adequados exclusivamente para medição espectroscópica de concentrações de oxigênio em radiação terahertz, a banda do espectro eletromagnético entre as microondas e a luz visível.

Lasers Terahertz podem enviar radiação coerente em um material para extrair a "impressão digital" espectral do material. Diferentes materiais absorvem a radiação terahertz em diferentes graus, o que significa que cada um tem uma impressão digital única que aparece como uma linha espectral. Isso é especialmente valioso na faixa de 1-5 terahertz:para detecção de contrabando, por exemplo, a assinatura da heroína é vista por volta de 1,42 e 3,94 terahertz, e cocaína em cerca de 1,54 terahertz.

Por anos, O laboratório de Hu tem desenvolvido novos tipos de lasers em cascata quântica, chamados de "lasers de fio fotônico". Como muitos lasers, estes são bidirecionais, o que significa que eles emitem luz em direções opostas, o que os torna menos poderosos. Em lasers tradicionais, esse problema é facilmente resolvido com espelhos cuidadosamente posicionados dentro do corpo do laser. Mas é muito difícil consertar em lasers terahertz, porque a radiação terahertz é tão longa, e o laser tão pequeno, que a maior parte da luz viaja para fora do corpo do laser.

No laser selecionado para GUSTO, os pesquisadores desenvolveram um novo design para os guias de onda dos lasers de fio - que controlam como a onda eletromagnética viaja ao longo do laser - para emitir unidirecionalmente. Isso alcançou alta eficiência e qualidade de feixe, mas não permitia sintonização de frequência, que a NASA exigia.

Tirando uma página da química

Com base no design anterior, Khalatpour se inspirou em uma fonte improvável:a química orgânica. Enquanto fazia um curso de graduação no MIT, Khalatpour notou uma longa cadeia de polímero com átomos alinhados nos dois lados. Eles estavam "ligados por pi, "o que significa que seus orbitais moleculares se sobrepõem para tornar a ligação mais estável. Os pesquisadores aplicaram o conceito de ligação pi a seus lasers, onde eles criaram conexões próximas entre lasers de fio independentes de outra forma ao longo de uma matriz. Este novo esquema de acoplamento permite o bloqueio de fase de lasers de dois ou múltiplos fios.

Para alcançar a sintonia de frequência, os pesquisadores usam pequenos "botões" para mudar a corrente de cada fio do laser, que muda ligeiramente como a luz viaja através do laser - chamado de índice de refração. Essa mudança do índice de refração, quando aplicado a lasers acoplados, cria uma mudança de frequência contínua para a frequência central do par.

Para experimentos, os pesquisadores fabricaram uma série de lasers de fio acoplado a 10 pi. O laser operava com sintonia de frequência contínua em um intervalo de cerca de 10 gigahertz, e uma saída de energia de cerca de 50 a 90 miliwatts, dependendo de quantos pares de laser pi acoplados estão na matriz. O feixe tem uma divergência de feixe baixo de 10 graus, que é uma medida de quanto o feixe se desvia de seu foco ao longo das distâncias.

Os pesquisadores também estão construindo um sistema de imagem com alta faixa dinâmica - superior a 110 decibéis - que pode ser usado em muitas aplicações, como imagens de câncer de pele. As células cancerosas da pele absorvem as ondas terahertz com mais força do que as células saudáveis, assim, lasers terahertz poderiam detectá-los. Os lasers usados ​​anteriormente para a tarefa, Contudo, são enormes e ineficientes, e não sintonizável em frequência. O dispositivo do tamanho de um chip dos pesquisadores iguala ou supera os lasers em potência de saída, e oferece recursos de ajuste.

"Ter uma plataforma com todas essas métricas de desempenho juntas ... poderia melhorar significativamente os recursos de imagem e estender seus aplicativos, "Khalatpour diz.

"Este é um trabalho muito bom - na faixa THz, tem sido muito difícil obter níveis de alta potência de lasers simultaneamente com bons padrões de feixe, "diz Benjamin Williams, professor associado de física e eletrônica de ondas da Universidade da Califórnia em Los Angeles. "A inovação é a nova maneira que eles usaram para acoplar os vários lasers de fio. Isso é complicado, já que se todos os lasers na matriz não irradiam em fase, então o padrão de feixe será arruinado. Eles mostraram que, espaçando adequadamente os lasers de fio adjacentes, eles podem ser persuadidos a 'querer' operar em um supermodo simétrico coerente - todos irradiando juntos em sincronia. Como um bônus, a frequência do laser pode ser sintonizada ... no comprimento de onda desejado - um recurso importante para espectroscopia e ... para astrofísica. "

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.