Un láser de terahercios diseñado por investigadores del MIT es el primero en alcanzar tres objetivos clave de rendimiento a la vez: alta potencia constante, patrón de haz estrecho y amplia sintonización de frecuencia eléctrica, y por lo tanto podría ser valioso para una amplia gama de aplicaciones en productos químicosdetección e imagen.
El láser optimizado se puede usar para detectar elementos interestelares en una próxima misión de la NASA que tiene como objetivo aprender más sobre los orígenes de nuestra galaxia. Aquí en la Tierra, el láser de alambre fotónico de alta potencia también podría usarse para mejorar las imágenes de cáncer de piel y mama,detectar drogas y explosivos, y mucho más.
El novedoso diseño del láser combina múltiples láseres de alambre eficientes basados en semiconductores y los obliga a "bloquear la fase" u sincronizar las oscilaciones. La combinación de la salida de los pares a lo largo de la matriz produce un solo haz de alta potencia con una mínima divergencia del haz.Los ajustes en los láseres acoplados individuales permiten una sintonización de frecuencia amplia para mejorar la resolución y la fidelidad en las mediciones. Alcanzar las tres métricas de rendimiento significa menos ruido y una resolución más alta, para una detección química y una imagen médica más confiables y rentables, dicen los investigadores.
"La gente ha hecho sintonización de frecuencia en láser, o ha hecho un láser con alta calidad de haz, o con alta potencia de onda continua. Pero cada diseño carece de los otros dos factores", dice Ali Khalatpour, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica y computaciónciencia y primer autor en un artículo que describe el láser, publicado hoy en Fotónica de la naturaleza . "Esta es la primera vez que hemos logrado las tres métricas al mismo tiempo en láseres de terahercios basados en chips".
"Es como 'un anillo para gobernarlos a todos'", agrega Khalatpour, refiriéndose a la frase popular de "El Señor de los Anillos".
Uniéndose a Khalatpour en el papel están: Qing Hu, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT que ha realizado un trabajo pionero en los láseres de cascada cuántica terahercios; y John L. Reno, de los Laboratorios Nacionales Sandia.
Seleccionado por la NASA
El año pasado, la NASA anunció el Observatorio de Terahercios Espectroscópico ULDB Galáctico / Extragaláctico GUSTO, una misión de 2021 para enviar un telescopio de globo a gran altitud que transporta láseres de alambre fotónico para detectar las emisiones de oxígeno, carbono y nitrógeno del "medio interestelar, "el material cósmico entre las estrellas. Los extensos datos recopilados durante unos meses proporcionarán información sobre el nacimiento y la evolución de las estrellas, y ayudarán a mapear más de la Vía Láctea y las galaxias cercanas de la Gran Nube de Magallanes".
Para un componente del detector químico GUSTO, la NASA seleccionó un nuevo láser de terahercios basado en semiconductores previamente diseñado por los investigadores del MIT. Actualmente es el láser de terahercios con mejor rendimiento. Estos láseres son especialmente adecuados para la medición espectroscópica de concentraciones de oxígeno en teraherciosradiación, la banda del espectro electromagnético entre microondas y luz visible.
Los láseres de Terahercios pueden enviar radiación coherente a un material para extraer la "huella digital" espectral del material. Diferentes materiales absorben la radiación de terahercios en diferentes grados, lo que significa que cada uno tiene una huella digital única que aparece como una línea espectral. Esto es especialmente valioso en el 1-Rango de 5 terahercios: para la detección de contrabando, por ejemplo, la firma de heroína se ve alrededor de 1.42 y 3.94 terahercios, y la cocaína alrededor de 1.54 terahercios.
Durante años, el laboratorio de Hu ha desarrollado nuevos tipos de láseres cuánticos en cascada, llamados "láseres de alambre fotónico". Al igual que muchos láseres, estos son bidireccionales, lo que significa que emiten luz en direcciones opuestas, lo que los hace menos potentes. En los láseres tradicionales,Este problema se soluciona fácilmente con espejos colocados cuidadosamente dentro del cuerpo del láser, pero es muy difícil de arreglar con láser de terahercios, porque la radiación de terahercio es tan larga y el láser es tan pequeño que la mayor parte de la luz viaja fuera del cuerpo del láser.
En el láser seleccionado para GUSTO, los investigadores habían desarrollado un diseño novedoso para las guías de onda de los láseres de alambre, que controlan cómo viaja la onda electromagnética a lo largo del láser, para emitir de forma unidireccional. Esto logró una alta eficiencia y calidad del haz, perono permitió la sintonización de frecuencia, que requería la NASA
Tomando una página de química
Basándose en su diseño anterior, Khalatpour se inspiró en una fuente poco probable: química orgánica. Mientras tomaba una clase de pregrado en el MIT, Khalatpour tomó nota de una larga cadena de polímero con átomos alineados a lo largo de los dos lados. Estaban "unidos por pi"lo que significa que sus orbitales moleculares se superponen para hacer que el enlace sea más estable. Los investigadores aplicaron el concepto de enlace pi a sus láseres, donde crearon conexiones cercanas entre láseres de alambre de otro modo independientes a lo largo de una matriz. Este novedoso esquema de acoplamiento permite el bloqueo de fase de doso múltiples láseres de alambre.
Para lograr la sintonización de frecuencia, los investigadores usan pequeñas "perillas" para cambiar la corriente de cada láser de alambre, que cambia ligeramente la forma en que la luz viaja a través del láser, llamado índice de refracción. Ese cambio de índice de refracción, cuando se aplica a láseres acoplados,crea un cambio de frecuencia continuo a la frecuencia central del par.
Para los experimentos, los investigadores fabricaron una matriz de 10 láseres de alambre acoplado a pi. El láser funcionaba con sintonización de frecuencia continua en un lapso de aproximadamente 10 gigahercios y una potencia de salida de aproximadamente 50 a 90 milivatios, dependiendo de cuántos pi-los pares de láser acoplados están en la matriz. El haz tiene una divergencia de haz bajo de 10 grados, que es una medida de cuánto se desvía el haz de su foco a lo largo de las distancias.
Los investigadores también están construyendo actualmente un sistema de imágenes con un alto rango dinámico, mayor de 110 decibelios, que puede usarse en muchas aplicaciones, como imágenes de cáncer de piel. Las células de cáncer de piel absorben las ondas de terahercios con más fuerza que las células sanas, por lo quelos láseres de terahercios podrían detectarlos. Los láseres utilizados anteriormente para la tarea, sin embargo, son masivos e ineficientes, y no se pueden ajustar en frecuencia. El dispositivo del tamaño de un chip de los investigadores iguala o supera a esos láseres en potencia de salida, y ofrece capacidades de ajuste.
"Tener una plataforma con todas esas métricas de rendimiento juntas ... podría mejorar significativamente las capacidades de imágenes y ampliar sus aplicaciones", dice Khalatpour.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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