Terahertz-strålning – bandet i det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och synligt ljus – har lovande tillämpningar inom medicinsk och industriell bildbehandling och kemisk detektion, bland annat användningsområde.

Men många av dessa applikationer beror på små, energieffektiva källor för terahertz-strålar, och standardmetoden för att tillverka dem innebär en skrymmande, makt hungrig, bordsenhet.

I mer än 20 år, Qing Hu, en framstående professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT, och hans grupp har arbetat med källor till terahertzstrålning som kan etsas på mikrochips. I senaste numret av Nature Photonics , medlemmar av Hus grupp och kollegor vid Sandia National Laboratories och University of Toronto beskriver en ny design som ökar uteffekten hos chipmonterade terahertzlasrar med 80 procent.

Som den bäst presterande chipmonterade terahertzkällan hittills rapporterats, forskarnas enhet har valts ut av NASA för att ge terahertz-emission för dess Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO) uppdrag. Uppdraget är avsett att bestämma sammansättningen av det interstellära mediet, eller materia som fyller utrymmet mellan stjärnor, och den använder terahertz-strålar eftersom de är unikt väl lämpade för spektroskopisk mätning av syrekoncentrationer. Eftersom uppdraget kommer att distribuera instrumentladdade ballonger till jordens övre atmosfär, terahertz-sändaren måste vara lätt.

Forskarnas design är en ny variant av en enhet som kallas kvantkaskadlaser med distribuerad feedback. "Vi började med det här för att det var det bästa som finns, " säger Ali Khalatpour, en doktorand i elektroteknik och datavetenskap och första författare på tidningen. "Den har den optimala prestandan för terahertz."

Tills nu, dock, enheten har haft en stor nackdel, vilket är att det naturligt avger strålning i två motsatta riktningar. Eftersom de flesta tillämpningar av terahertzstrålning kräver riktat ljus, det betyder att enheten slösar bort hälften av sin energiproduktion. Khalatpour och hans kollegor hittade ett sätt att omdirigera 80 procent av ljuset som vanligtvis kommer ut från baksidan av lasern, så att den färdas i önskad riktning.

Som Khalatpour förklarar, forskarnas design är inte knuten till något särskilt "vinstmedium, " eller en kombination av material i laserkroppen.

"Om vi ​​kommer på ett bättre vinstmedium, vi kan fördubbla dess uteffekt, för, " säger Khalatpour. "Vi ökade kraften utan att designa ett nytt aktivt medium, vilket är ganska svårt. Vanligtvis, även en ökning på 10 procent kräver mycket arbete i varje aspekt av designen."

Stora vågor

Faktiskt, dubbelriktad emission, eller emission av ljus i motsatta riktningar, är ett vanligt inslag i många laserdesigner. Med konventionella lasrar, dock, det är lätt att åtgärda genom att placera en spegel över ena änden av lasern.

Men våglängden för terahertzstrålning är så lång, och forskarnas nya lasrar – kända som fotoniska trådlasrar – är så små, att mycket av den elektromagnetiska våg som rör sig längs laserns längd faktiskt ligger utanför laserns kropp. En spegel i ena änden av lasern skulle reflektera tillbaka en liten bråkdel av vågens totala energi.

Khalatpour och hans kollegors lösning på detta problem utnyttjar en egenhet hos den lilla laserns design. En kvantkaskadlaser består av en lång rektangulär ås som kallas en vågledare. I vågledaren, material är anordnade så att appliceringen av ett elektriskt fält inducerar en elektromagnetisk våg längs vågledarens längd.

Denna våg, dock, är vad som kallas en "stående våg". Om en elektromagnetisk våg kan ses som en vanlig upp-och-ned-spiral, då reflekteras vågen fram och tillbaka i vågledaren på ett sådant sätt att topparna och dalarna för reflektionerna perfekt sammanfaller med de för vågorna som rör sig i motsatt riktning. En stående våg är i huvudsak inert och kommer inte att stråla ut ur vågledaren.

Så Hus grupp skär regelbundet åtskilda slitsar i vågledaren, som tillåter terahertzstrålar att stråla ut. "Föreställ dig att du har en pipa, och du gör ett hål, och vattnet kommer ut, " säger Khalatpour. Slitsarna är åtskilda så att vågorna de sänder ut förstärker varandra - deras toppar sammanfaller - bara längs vågledarens axel. I mer sneda vinklar från vågledaren, de tar bort varandra.

Bryter symmetri

I det nya verket, Khalatpour och hans medförfattare—Hu, John Reno från Sandia, och Nazir Kherani, en professor i materialvetenskap vid University of Toronto – sätt helt enkelt reflektorer bakom vart och ett av hålen i vågledaren, ett steg som sömlöst kan integreras i tillverkningsprocessen som producerar själva vågledaren.

Reflektorerna är bredare än vågledaren, och de är placerade så att strålningen de reflekterar kommer att förstärka terahertzvågen i ena riktningen men dämpa den i den andra. En del av terahertzvågen som ligger utanför vågledaren tar sig fortfarande runt reflektorerna, men 80 procent av energin som skulle ha lämnat vågledaren i fel riktning omdirigeras nu åt andra hållet.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.