Denna lilla laser drar nytta av effekterna i kvantskala av material som bara tiotals atomer tvärs över för att generera en kraftfull stråle i en del av spektrumet där traditionella lasrar bleknar i styrka. Kredit:NASA/Michael Giunto
Att hitta vatten på månen kan vara lättare med en Goddard-teknik som använder en effekt som kallas kvanttunneling för att generera en kraftfull terahertz-laser, som fyller en lucka i befintlig laserteknik.
Att lokalisera vatten och andra resurser är en NASA-prioritet som är avgörande för att utforska jordens naturliga satellit och andra objekt i solsystemet och utanför. Tidigare experiment drog slutsatsen och bekräftade sedan förekomsten av små mängder vatten över månen. De flesta tekniker skiljer dock inte mellan vatten, fria vätejoner och hydroxyl, eftersom de bredbandsdetektorer som används inte kan skilja mellan de olika flyktiga ämnena.
Goddards ingenjör Dr. Berhanu Bulcha sa att en typ av instrument som kallas en heterodyne spektrometer kan zooma in på särskilda frekvenser för att definitivt identifiera och lokalisera vattenkällor på månen. Den skulle behöva en stabil, kraftfull terahertz-laser, som togs fram i samarbete med Longwave Photonics genom NASA:s Small Business Innovation Research (SBIR)-program.
"Denna laser tillåter oss att öppna ett nytt fönster för att studera detta frekvensspektrum," sa han. "Andra uppdrag hittade hydrering på månen, men det kan tyda på hydroxyl eller vatten. Om det är vatten, var kom det ifrån? Är det inhemskt i månens bildning, eller kom det senare genom kometnedslag? Hur mycket vatten är det där? Vi måste svara på dessa frågor eftersom vatten är avgörande för överlevnad och kan användas för att göra bränsle för vidare utforskning."
Som namnet antyder, upptäcker spektrometrar spektra eller våglängder av ljus för att avslöja de kemiska egenskaperna hos materia som ljus har berört. De flesta spektrometrar tenderar att fungera över breda delar av spektrumet. Heterodyne-instrument ringer in till mycket specifika ljusfrekvenser som infraröd eller terahertz. Vätehaltiga föreningar som vatten avger fotoner i terahertz-frekvensområdet - 2 biljoner till 10 biljoner cykler per sekund - mellan mikrovågsugn och infraröd.
Som ett mikroskop för subtila skillnader inom en bandbredd som terahertz, kombinerar heterodyna spektrometrar en lokal laserkälla med inkommande ljus. Att mäta skillnaden mellan laserkällan och den kombinerade våglängden ger exakta avläsningar mellan underbandbredderna i spektrumet.
Traditionella lasrar genererar ljus genom att excitera en elektron i en atoms yttre skal, som sedan avger en enda foton när den övergår, eller återgår till sin vilande energinivå. Olika atomer producerar olika frekvenser av ljus baserat på den fasta mängd energi som krävs för att excitera en elektron. Men lasrar kommer till korta i en viss del av spektrumet mellan infraröd och mikrovågsugn som kallas terahertzgapet.
"Problemet med befintlig laserteknik," sa Dr. Bulcha, "är att inget material har rätt egenskaper för att producera en terahertzvåg."
Elektromagnetiska oscillatorer som de som genererar radio- eller mikrovågsfrekvenser producerar terahertz-pulser med låg effekt genom att använda en serie förstärkare och frekvensmultiplikatorer för att utöka signalen till terahertz-området. Denna process förbrukar dock mycket spänning, och materialen som används för att förstärka och multiplicera pulsen har begränsad effektivitet. Detta innebär att de tappar kraft när de närmar sig terahertz-frekvenserna.
Från andra sidan av terahertzgapet pumpar optiska lasrar energi till en gas för att generera fotoner. Kraftfulla terahertz-bandlasrar är dock stora, strömkrävande och inte lämpliga för rymdutforskning där massa och kraft är begränsad, särskilt handhållna eller små satellittillämpningar. Pulsens kraft sjunker också när optiska lasrar trycker mot terahertz-bandbredderna.
För att fylla det gapet utvecklar Dr. Bulchas team kvantkaskadlasrar som producerar fotoner från varje elektronövergångshändelse genom att dra fördel av unik fysik i kvantskala av material som bara är några atomer tjocka.
I dessa material sänder en laser ut fotoner i en specifik frekvens som bestäms av tjockleken på alternerande lager av halvledare snarare än elementen i materialet. Inom kvantfysiken ökar de tunna lagren chansen att en foton sedan kan tunnla igenom till nästa lager istället för att studsa bort från barriären. Väl där exciterar den ytterligare fotoner. Med hjälp av ett generatormaterial med 80 till 100 lager, totalt mindre än 10 till 15 mikron tjockt, skapar teamets källa en kaskad av terahertz-energifotoner.
Denna kaskad förbrukar mindre spänning för att generera ett stabilt ljus med hög effekt. En nackdel med denna teknik är att dess stråle sprids ut i en stor vinkel och försvinner snabbt över korta avstånd. Med hjälp av innovativ teknik med stöd av Goddards finansiering för intern forskning och utveckling (IRAD), integrerade Dr Bulcha och hans team lasern på en vågledare med en tunn optisk antenn för att dra åt strålen. Den integrerade laser- och vågledarenheten minskar denna förlust med 50 % i ett paket som är mindre än en fjärdedel.
Han hoppas kunna fortsätta arbetet med att göra en flygfärdig laser för NASA:s Artemis-program.
Laserns låga storlek och strömförbrukning gör att den får plats i en 1U CubeSat, ungefär lika stor som en tekanna, tillsammans med spektrometerns hårdvara, processor och strömförsörjning. Det kan också driva en handhållen enhet för användning av framtida upptäcktsresande på månen, Mars och bortom. + Utforska vidare
