En gång det föredragna vapnet för både B-filmsgalningar och rymdfiktionshjältar, lasern – en enhet som genererar en intensiv stråle av koherent elektromagnetisk strålning genom att stimulera emissionen av fotoner från exciterade atomer eller molekyler – har blivit lite domesticerad på senare tid.

Dessa dagar, den har ett fast jobb inom industrin, och tillbringar sin fritid med att skriva ut dokument på hemmakontor och spela upp filmer i hemmabio. Här och där dyker det upp i medicinska tidskrifter och militära nyheter, men det har i princip reducerats till att läsa streckkoder i matkassan – en teknik som har tappat mojo.

Men lasrar är fortfarande coola, insisterar Sushil Kumar från Lehigh University, med enorm potential för innovation som vi precis har börjat utnyttja. Och med stöd från National Science Foundation (NSF), han är på ett uppdrag för att bevisa det.

Kumar, en docent i el- och datateknik, fokuserar specifikt på lasrar som kommer från ett relativt oexploaterat område i det elektromagnetiska spektrumet, terahertz (THz), eller långt infraröd, frekvens. En forskare i framkanten av THz-halvledar-"quantum-cascade"-laserteknologi, han och hans kollegor har publicerat världsrekordresultat för högtemperaturdrift och andra viktiga prestandaegenskaper hos sådana lasrar.

Hans mål är att utveckla enheter som öppnar upp ett brett spektrum av möjliga tillämpningar:kemisk och biologisk avkänning, spektroskopi, upptäckt av sprängämnen och annat smuggelgods, sjukdomsdiagnos, kvalitetskontroll inom läkemedel, och till och med fjärranalys inom astronomi för att förstå stjärn- och galaxbildning, bara för att nämna några. (Ganska häftiga grejer... folket bakom kassan skulle bli imponerade.)

Men trots de kända fördelarna, Kumar säger att terahertzlasrar har varit underutnyttjade och underutforskade; höga kostnader och funktionella begränsningar har hindrat innovationen som skulle leda till sådan användning. Kumar, dock, tror att han är på väg att verkligen släppa lös kraften i THz-lasertekniken; han fick nyligen ett bidrag från NSF, Faslåsta arrayer av högeffekts terahertzlasrar med ultrasmala strålar, med ett mål att skapa THz-lasrar som producerar mycket större optiska intensiteter än vad som för närvarande är möjligt – och potentiellt avlägsna hinder för storskalig forskning och kommersiell användning.

Fokusera på en lösning

Enligt Kumar, terahertz-området i det elektromagnetiska spektrumet är betydligt underutvecklat på grund av bristen på strålningskällor med hög effekt. Befintliga källor har låg uteffekt och andra oönskade spektrala egenskaper vilket gör dem olämpliga för seriös användning. Hans nuvarande projekt syftar till att utveckla terahertz-halvledarlasrar med en exakt emissionsfrekvens på upp till 100 milliwatt av genomsnittlig optisk effekt – en förbättring med två storleksordningar jämfört med nuvarande teknologi – i en smal stråle med betydligt mindre än fem graders vinkeldivergens.

Kumar arbetar med kvantkaskadlasrar (QCL). Dessa enheter uppfanns ursprungligen för emission av medelinfraröd strålning. De har bara nyligen börjat sätta märke vid THz-frekvenser, och inom det området lider de av flera ytterligare utmaningar. I denna banbrytande miljö, Kumars grupp är bland ett fåtal utvalda i världen som gör framsteg mot en lönsam och lågkostnadsproduktion av dessa lasrar.

Kumars avsedda tillvägagångssätt kommer att avsevärt förbättra uteffekten och strålkvaliteten från QCL. En bärbar, elektriskt manövrerad kryokylare kommer att tillhandahålla den erforderliga temperaturkylningen för halvledarlaserchipsen; dessa kommer att innehålla faslåsta QCL-matriser som sänder ut vid ett intervall av diskreta terahertz-frekvenser som bestäms av den önskade applikationen.

I tidigare arbeten, Kumar och hans grupp visade att THz-lasrar (med en våglängd på cirka 100 mikron) kunde avge en fokuserad ljusstråle genom att använda en teknik som kallas distribuerad återkoppling. Ljusenergin i deras laser är instängd i ett hålrum mellan två metallplattor åtskilda med ett avstånd på 10 mikron. Med hjälp av en lådformad hålighet som mäter 10 mikron gånger 100 mikron gånger 1, 400 mikron (1,4 millimeter), gruppen producerade en terahertzlaser med en stråldivergensvinkel på bara 4 grader gånger 4 grader, den smalaste avvikelsen som hittills uppnåtts för sådana terahertzlasrar.

Kumar tror att de flesta företag som för närvarande använder mellaninfraröda lasrar skulle vara intresserade av kraftfulla, prisvärda terahertz QCLs, och att tekniken i sig kommer att skapa nya lösningar.

"IPhone behövde existera innan utvecklare kunde skriva "killer-apparna" som gjorde den till en hushållsprodukt, " säger han. "På samma sätt, vi arbetar mot en teknik som kan tillåta framtida forskare att förändra världen på sätt som ännu inte ens har övervägts."