Terahertz-frekvensområdet – som ligger mitt i det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och infrarött ljus – erbjuder potential för kommunikation med hög bandbredd, ultrahögupplöst bildbehandling, exakt långdistansavkänning för radioastronomi, och mycket mer.

Men denna del av det elektromagnetiska spektrumet har varit utom räckhåll för de flesta tillämpningar. Det beror på att nuvarande källor till terahertz-frekvenser är skrymmande, ineffektiv, har begränsad inställning, eller måste arbeta vid låg temperatur.

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbete med Massachusetts Institute of Technology och U.S. Army, har utvecklat en kompakt, rumstemperatur, brett inställbar terahertz-laser.

Forskningen är publicerad i Vetenskap .

"Denna laser överträffar alla befintliga laserkällor i denna spektrala region och öppnar upp den, för första gången, till ett brett spektrum av tillämpningar inom vetenskap och teknik, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och medförfattare till artikeln.

"Det finns många behov av en källa som denna laser, saker som kort räckvidd, trådlös kommunikation med hög bandbredd, mycket högupplöst radar, och spektroskopi, sa Henry Everitt, senior tekniker vid U.S. Army CCDC Aviation &Missile Center och co-senior författare till tidningen.

Everitt är också adjungerad professor i fysik vid Duke University.

Medan de flesta elektroniska eller optiska terahertzkällor använder stora, ineffektiv, och komplexa system för att producera de svårfångade frekvenserna med begränsat inställningsområde, Capasso, Everitt, och deras team tog ett annat tillvägagångssätt.

För att förstå vad de gjorde, låt oss gå igenom lite grundläggande fysik om hur en laser fungerar.

Inom kvantfysik, exciterade atomer eller molekyler sitter på olika energinivåer - tänk på dessa som golv i en byggnad. I en typisk gaslaser, ett stort antal molekyler fångas mellan två speglar och bringas till en exciterad energinivå, aka en högre våning i byggnaden. När de når den våningen, de förfaller, faller ner en energinivå, och avger en foton. Dessa fotoner stimulerar sönderfallet av fler molekyler när de studsar fram och tillbaka, leder till förstärkning av ljus. För att ändra frekvensen för de emitterade fotonerna, du måste ändra energinivån för de exciterade molekylerna.

Så, hur ändrar man energinivån? Ett sätt är att använda ljus. I en process som kallas optisk pumpning, ljus höjer molekyler från en lägre energinivå till en högre - som en kvanthiss. Tidigare terahertz molekylära lasrar använde optiska pumpar, men de var begränsade i sin inställning till bara några få frekvenser, vilket innebär att hissen bara gick till ett litet antal våningar.

Genombrottet för denna forskning är att Capasso, Everitt, och deras team använde en mycket avstämbar, kvantkaskadlaser (QCL) som deras optiska pump. Dessa kraftfulla, bärbara lasrar, co-uppfann av Capasso och hans grupp på Bell Labs på 1990-talet, är kapabla att effektivt producera brett inställbart ljus. Med andra ord, denna kvanthiss kan stanna på varje våning i byggnaden.

Teorin för att optimera driften av den nya lasern utvecklades av Steven Johnson, professor i tillämpad matematik och fysik vid MIT, och hans doktorand Fan Wang.

Forskarna kombinerade kvantkaskadlaserpumpen med en dikväveoxid-aka skrattgas-laser.

"Genom att optimera laserkaviteten och linserna, vi kunde producera frekvenser som spänner över nästan 1 terahertz, sade Arman Amirzhan, en doktorand i Capassos grupp och medförfattare till tidningen.

"Molekylära THz-lasrar pumpade av en kvantkaskadlaser erbjuder hög effekt och brett avstämningsområde i en förvånansvärt kompakt och robust design, " sa nobelpristagaren Theodor Hänsch vid Max-Planck Institute for Quantum Optics i München, som inte var involverad i denna forskning. "Sådana källor kommer att låsa upp nya applikationer från avkänning till grundläggande spektroskopi."

"Det som är spännande är att konceptet är universellt, sade Paul Chevalier, en postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen. "Med hjälp av detta ramverk, du kan göra en terahertzkälla med en gaslaser av nästan vilken molekyl som helst och applikationerna är enorma."

"Detta resultat är unikt, ", sa Capasso. "Folk visste hur man gör en terahertz-laser förut men kunde inte göra den till bredband. Det var inte förrän vi började detta samarbete, efter ett oväntat möte med Henry på en konferens, att vi kunde göra kopplingen att du kunde använda en brett avstämbar pump som kvantkaskadlasern."

Denna laser kan användas i allt från förbättrad hud- och bröstcanceravbildning till läkemedelsdetektering, flygplatssäkerhet, och optiska trådlösa länkar med ultrahög kapacitet.

"Jag är särskilt upphetsad över möjligheten att använda den här lasern för att kartlägga det interstellära mediet, ", sa Everitt. "Molekyler har unika spektrala fingeravtryck i terahertz-regionen, och astronomer har redan börjat använda dessa fingeravtryck för att mäta sammansättningen och temperaturen hos dessa urmoln av gas och damm. En bättre markbaserad källa för terahertzstrålning som vår laser kommer att göra dessa mätningar ännu mer känsliga och exakta."

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.