Osynlig för det mänskliga ögat, terahertz elektromagnetiska vågor kan "se igenom" allt från dimma och moln till trä och murverk - ett attribut som har stora löften för astrofysikforskning, upptäcka dolda sprängämnen och många andra applikationer.

Terahertz -lasrar kan producera fotoner med frekvenser av biljoner cykler per sekund - energier mellan infraröda och mikrovågsfotoner. Dessa fotoner, dock, är notoriskt svåra att generera - och det är där UCLA docent i elektroteknik Benjamin Williams kommer in. Han och hans forskargrupp vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science arbetar hårt med att utforska "en av de sista gränserna för det elektromagnetiska spektrum, "som Williams beskriver det.

De flesta optiska och infraröda lasrar fungerar genom att elektroner övergår mellan två energinivåer i en halvledarkristall och sänder ut en foton. Dock, denna process är inte så lätt att utöka till terahertz-området.

"Om du vill göra terahertzstrålning, du behöver en mycket lågenergifoton, så du behöver två energinivåer som ligger väldigt nära varandra, och det är svårt att göra med de halvledare som naturen ger oss, sa Williams.

Han och hans medarbetare vid Terahertz Devices och Intersubband Nanostructures Laboratory producerar istället terahertz -fotoner genom att konstruera konstgjorda material som efterliknar atomenas energinivåer. Dessa så kallade "kvantkaskadlasrar" är gjorda genom att ordna olika halvledare i lager-vissa bara några få atomer tjocka-för att bilda kvantbrunnar. Kvantbrunnar är som små "lådor" som begränsar elektroner till vissa energinivåer som valts av design. När en elektron övergår mellan olika energinivåer, det avger fotoner. En enda elektron kan kaskadera mellan de många kvantbrunnarna i en kvantkaskadlaser och utlösa emission av flera terahertz -fotoner, därigenom producerar en kraftfull laserstråle. En annan fördel med kvantkaskadlasrar är att frekvensen av de emitterade fotonerna kan moduleras.

"Istället för att vara begränsad till bandgapet som naturen ger dig, vi kan ändra bredden på dessa kvantbrunnar för att välja det effektiva bandgapet [och ändra fotonernas frekvens]. Det är ett mycket kraftfullt koncept, sa Williams.

Även om kvantkaskadlasrar är både kraftfulla och inställbara i frekvens, en betydande nackdel har varit deras lågljuskvalitet.

"Tänk på en laserpekare, som har en mycket fin stråle, "Sa Williams." Strålen går dit du vill ha den, och det ser ut som en trevlig plats. Du slösar inte bort ljuset."

Terahertz lasrar, å andra sidan, har ofta strålar som är mycket divergerande, vilket innebär att ljusstrålen sprids ut och därmed blir mindre kraftfull. I vissa fall, strålen på en terahertzlaser skiljer sig så mycket att endast 0,1 procent av den hamnar där den ursprungligen var tänkt att gå.

En stor prestation i Williams laboratorium har varit att skapa en typ av terahertz kvantkaskadlaser som har både ett utmärkt strålmönster och hög effekt.

"Vår innovation var att göra en konstgjord yta som består av massor av små laserantenner [metallstrukturer som var och en fungerar som en kvantkaskadförstärkare]. Nettoeffekten är en spegel som reflekterar terahertz -ljus när det förstärker och fokuserar det samtidigt tid, "sade Williams." Vi tror att denna förmåga kommer att tillåta oss att skapa lasrar med kontroll över nästan alla ljusets egenskaper - dess våglängd, amplitud, fas, och polarisering. "

Williams och hans team undersöker också hur kvantkaskadlasrar kan utformas för att fungera vid rumstemperatur. För närvarande, forskare måste kyla sina lasrar till 77 Kelvin (-321 ° F), ett steg som begränsar lasrarnas användning utanför ett laboratorium. Nu, Williams undersöker att bygga dessa lasrar med hjälp av kvantprickar istället för kvantbrunnar. Medan kvantbrunnar begränsar elektronernas rörelse i endast en dimension, kvantprickar begränsar deras rörelse i alla tre dimensioner. Den extra begränsningen i kvantprickar förutspås drastiskt minska hur mycket elektronerna sprider, vilket skulle tillåta dessa lasrar att arbeta vid rumstemperatur.

"Vi arbetar för närvarande med Diana Huffaker [professor i elektroteknik vid UCLA], vem odlar kvantprickar, "sade Williams." [Hennes arbete] skulle tillåta oss att göra samma typer av kvantteknik med kvantprickar som vi för närvarande gör med kvantbrunnar. "