• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Nytt rekord i terahertz -pulsgenerering

    Kredit:Wiens tekniska universitet

    En grupp forskare från TU Wien och ETH Zürich har lyckats med sina försök att generera ultrakorte terahertz -ljuspulser. Med längder på bara några pikosekunder, dessa pulser är idealiska för spektroskopiska applikationer och gör det möjligt att ta extremt exakta frekvensmätningar.

    De unika egenskaperna hos terahertz -strålning betyder att det är av intresse för ett brett spektrum av potentiella applikationer, inklusive icke-invasiv medicinsk avbildning och upptäckt av farliga ämnen. Terahertz -vågor kan tränga igenom många material som är ogenomskinliga för synligt ljus och, till skillnad från röntgenstrålning, utgör ingen risk för skador på biologisk vävnad. Dessutom, många ämnen har ett molekylärt fingeravtryck i terahertz -området, så att de kan detekteras med hjälp av spektroskopiska metoder. Ett effektivt sätt att generera dessa terahertzvågor är att använda kvantkaskadlasrar, som en arbetsgrupp som leds av prof. Karl Unterrainer vid Photonics Institute vid TU Wien har forskat och utvecklat. Quantum cascade lasers består av en exakt definierad sekvens av flera hundra halvledarlager som mäter bara några nanometer i tjocklek. Denna speciella konstruktion innebär att det finns frihet att välja det exakta energistatus vid vilket elektronerna håller sig inom halvledarstrukturen. Detta gör att laserstrålningens frekvens kan justeras för att passa den aktuella applikationen.

    Skapa en frekvenskam med ett bredbands "lasersmörgås"

    Med denna speciella egenskap att kunna bestämma själva laservåglängderna, flera kvantkaskadstrukturer med olika emissionsfrekvenser kan staplas ovanpå varandra, i syfte att generera bredbandsterahertzstrålning. "Heterogena aktiva zoner av detta slag är idealiska för att implementera bredbandsterahertzförstärkare och generera ultrakorte terahertzpulser, "förklarar Dominic Bachmann från Photonics Institute. Plus, om de diskreta laserlinjerna är sammanlänkade för att upprätta ett fastfasförhållande mellan lasermoderna, något som kallas en "frekvenskam" kommer att skapas. Frekvenskammar gör det möjligt att göra extremt exakta mätningar av den absoluta frekvensen för det ljus som används, vilket är viktigt för ett stort antal applikationer. Upptäckten av frekvenskammen revolutionerade mer eller mindre optisk metrologi och hedrades med Nobelpriset för fysik 2005. Under de senaste fyra åren har forskare har arbetat hårt för att skapa en terahertz -frekvenskam med en kvantkaskadlaser som en del av EU -projektet TERACOMB. Leds av Dr Juraj Darmo från Photonics Institute, teamet av internationella forskargrupper har lyckats generera den första bredbandsterahertz -frekvenskammen baserad på halvledarteknik.

    Tittar på lasrar på jobbet

    En metod som utvecklats av gruppen som leds av prof. Unterrainer gör det möjligt att analysera interna kvantkaskadlaserparametrar under laserdrift. Denna teknik är baserad på tidsupplöst spektroskopi, med bredbandsterahertz -pulser som penetrerar provet som ska mätas. Baserat på femtosekundlasrar, denna teknik kan användas för att samla in hela informationsinnehållet avseende tid och frekvensintervall med bara en enda mätning. Som ett resultat, forskarna vid Photonics Institute har lyckats kvantifiera de optiska förstärkningskoefficienterna såväl som den optiska spridningen i bredbandsterahertz kvantkaskadlasrar, förbättra deras förståelse för den komplexa dynamiken i spel. "Dessa fynd gör att vi kan öka laserbandbredden ytterligare och förbättra effektiviteten hos frekvenskammar, "förklarar Juraj Darmo.

    Målförluster

    Ett olöst problem med terahertz kvantkaskadlasrar hade varit förekomsten av laserlinjer med olika utbredningshastigheter. Om det finns lasermoder med en högre lateral ordning, intensiteten fördelas mycket ojämnt mellan laserlinjerna, därigenom minskar den användbara bandbredden och förhindrar generering av en frekvenskam. För att stoppa dessa lägen från att pendla, förlusterna måste ökas i en sådan utsträckning att de inte når lasertröskeln. Genom att lägga till en skräddarsydd sidoabsorberare till kanterna på laserresonatorn, forskarna lyckades undertrycka de högre laterala lägena helt, utan att ha någon relevant inverkan på de grundläggande metoderna. Resultatet var en utsläppsbandbredd som täckte en hel oktav, mycket jämn lägesfördelning i mitten vid 700 GHz, och en frekvenskam med en bandbredd på 440 GHz. Vad mer, sidoabsorbenterna möjliggör generering av ultrakorta terahertz -pulser med pulsbredder mindre än 3 ps, som representerar ett nytt världsrekord för terahertz -pulser som genereras med hjälp av en kvantkaskadlaser. "Det var verkligen fantastiskt att se hur en relativt liten justering av vågledaren kunde åstadkomma en så dramatisk förbättring, "förklarar Dominic Bachmann, som just skrivit klart sin avhandling om bredbandskvantkaskadlasrar.

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com