Os lasers Terahertz logo terão seu momento. Emitir radiação que fica em algum lugar entre as microondas e a luz infravermelha ao longo do espectro eletromagnético, lasers terahertz têm sido o foco de intenso estudo devido à sua capacidade de penetrar em materiais de embalagem comuns, como plásticos, tecidos, e papelão e ser usado para identificação e detecção de vários produtos químicos e espécies biomoleculares, e até mesmo para imagens de alguns tipos de tecido biológico sem causar danos. Preencher o potencial dos lasers terahertz para nós depende de melhorar sua intensidade e brilho, alcançada através do aumento da potência e da qualidade do feixe.

Sushil Kumar, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Lehigh, e sua equipe de pesquisa está trabalhando na vanguarda da tecnologia de laser de 'cascata quântica' de semicondutor terahertz (QCL). Em 2018, Kumar, que também é afiliado ao Centro de Fotônica e Nanoeletrônica de Lehigh (CPN) relatou uma técnica simples, mas eficaz, para aumentar a potência de lasers de modo único com base em um novo tipo de mecanismo de "feedback distribuído". Os resultados foram publicados na revista Natureza Comunicações e recebeu muita atenção como um grande avanço na tecnologia terahertz QCL. O trabalho foi realizado por alunos de pós-graduação, incluindo Yuan Jin, supervisionado por Kumar e em colaboração com Sandia National Laboratories.

Agora, Kumar, Jin e John L. Reno da Sandia estão relatando outro avanço da tecnologia terahertz:eles desenvolveram uma nova técnica de bloqueio de fase para lasers plasmônicos e, através de seu uso, alcançou uma saída de alta potência recorde para lasers terahertz. Seu laser produziu a mais alta eficiência radiativa para qualquer laser de cascata quântica semicondutor de comprimento de onda único. Esses resultados são explicados em um artigo, "Matriz de laser plasmônico terahertz com bloqueio de fase com potência de saída de 2 W em um único modo espectral", publicado ontem em Optica .

"Para o melhor de nosso conhecimento, a eficiência radiativa de nossos lasers terahertz é a mais alta demonstrada para qualquer QCL de comprimento de onda único até o momento e é o primeiro relato de uma eficiência radiativa de mais de 50% alcançada em tais QCLs, "disse Kumar." Essa alta eficiência radiativa superou nossas expectativas, e é também uma das razões pelas quais a potência de saída do nosso laser é significativamente maior do que a obtida anteriormente. "

Para melhorar a saída de potência óptica e a qualidade do feixe de lasers semicondutores, os cientistas costumam utilizar o bloqueio de fase, um sistema de controle eletromagnético que força uma matriz de cavidades ópticas a emitir radiação na etapa de bloqueio. Terahertz QCLs, que utilizam cavidades ópticas com revestimentos de metal (revestimentos) para confinamento de luz, são uma classe de lasers conhecidos como lasers plasmônicos que são notórios por suas propriedades radiativas pobres. Há apenas um número limitado de técnicas disponíveis na literatura anterior, eles dizem, que poderia ser utilizado para melhorar a eficiência radiativa e potência de saída de tais lasers plasmônicos por margens significativas.

"Nosso artigo descreve um novo esquema de bloqueio de fase para lasers plasmônicos que é distintamente diferente da pesquisa anterior sobre lasers de bloqueio de fase na vasta literatura sobre lasers semicondutores, "diz Jin." O método demonstrado faz uso de ondas superficiais de radiação eletromagnética como uma ferramenta para o bloqueio de fase de cavidades ópticas plasmônicas. A eficácia do método é demonstrada pela obtenção de uma potência de saída recorde para lasers terahertz, que foi aumentada em uma ordem de magnitude em comparação com o trabalho anterior. "

Ondas de superfície que se propagam ao longo da camada de metal das cavidades, mas fora do meio circundante das cavidades, e não dentro, é um método único que foi desenvolvido no grupo de Kumar nos últimos anos e que continua a abrir novos caminhos para mais inovação. A equipe espera que o nível de potência de saída de seus lasers possa levar a colaborações entre pesquisadores de laser e cientistas de aplicação para o desenvolvimento de espectroscopia terahertz e plataformas de detecção baseadas nesses lasers.

Esta inovação na tecnologia QCL é o resultado de um esforço de pesquisa de longo prazo do laboratório de Kumar em Lehigh. Kumar e Jin desenvolveram em conjunto a ideia finalmente implementada por meio de design e experimentação por um período de aproximadamente dois anos. A colaboração com o Dr. Reno dos Laboratórios Nacionais Sandia permitiu que Kumar e sua equipe recebessem material semicondutor para formar o meio óptico em cascata quântica para esses lasers.

A principal inovação neste trabalho, de acordo com os pesquisadores, está no design das cavidades ópticas, que é um tanto independente das propriedades do material semicondutor. A ferramenta de corrosão de plasma acoplado indutivamente (ICP) recentemente adquirida no CPN de Lehigh desempenhou um papel crítico em empurrar os limites de desempenho desses lasers, eles dizem.

Esta pesquisa representa uma mudança de paradigma em como tais lasers terahertz de comprimento de onda único com feixes estreitos são desenvolvidos e serão desenvolvidos no futuro, diz Kumar, acrescentando:"Acho que o futuro dos lasers terahertz parece muito brilhante."