Förmågan att utnyttja ljus till en intensiv stråle av monokromatisk strålning i en laser har revolutionerat vårt sätt att leva och arbeta i mer än femtio år. Bland dess många applikationer finns ultrasnabb och högkapacitets datakommunikation, tillverkning, kirurgi, streckkodsläsare, skrivare, självkörande teknik och spektakulära laserljusskärmar. Lasrar hittar också ett hem inom atom- och molekylspektroskopi som används inom olika vetenskapsgrenar samt för detektion och analys av ett brett utbud av kemikalier och biomolekyler.

Lasrar kan kategoriseras baserat på deras emissionsvåglängd inom det elektromagnetiska spektrumet, av vilka lasrar för synligt ljus - som de i laserpekare - bara är en liten del. Infraröda lasrar används för optisk kommunikation genom fibrer. Ultravioletta laser används för ögonoperationer. Och så finns det terahertzlasrar, som är föremål för utredning vid forskargruppen Sushil Kumar, en docent i elektro- och datateknik vid Lehigh University.

Terahertz-lasrar avger strålning som sitter mellan mikrovågor och infrarött ljus längs det elektromagnetiska spektrumet. Deras strålning kan penetrera vanliga förpackningsmaterial som plast, tyger och kartong, och är också anmärkningsvärt effektiva vid optisk avkänning och analys av en mängd olika kemikalier. Dessa lasrar har potential att användas vid oförstörande screening och upptäckt av förpackade sprängämnen och olagliga droger, utvärdering av farmaceutiska föreningar, screening för hudcancer och till och med studiet av stjärn- och galaxbildning.

Tillämpningar som optisk spektroskopi kräver att lasern sänder ut strålning vid en exakt våglängd, vilket oftast uppnås genom att implementera en teknik som kallas "distribuerad feedback". Sådana enheter kallas singelmodslasrar. Att kräva enlägesdrift är särskilt viktigt för terahertzlasrar, eftersom deras viktigaste tillämpningar kommer att vara i terahertz-spektroskopi. Terahertz-lasrar är fortfarande i en utvecklingsfas och forskare runt om i världen försöker förbättra sina prestandaegenskaper för att möta de villkor som skulle göra dem kommersiellt gångbara.

När den fortplantar sig, terahertzstrålning absorberas av luftfuktighet. Därför, ett nyckelkrav för sådana lasrar är en intensiv stråle så att den kan användas för optisk avkänning och analys av ämnen som hålls på ett avstånd av flera meter eller mer, och inte absorberas. För detta ändamål, Kumars forskargrupp är fokuserad på att förbättra deras intensitet och ljusstyrka, uppnås delvis genom att öka den optiska uteffekten.

I en nyligen publicerad artikel i tidskriften Naturkommunikation , Lehigh-teamet – övervakat av Kumar i samarbete med Sandia National Laboratories – rapporterade om en enkel men effektiv teknik för att förbättra effektuttaget från singelmodslasrar som är "ytemitterande" (i motsats till de som använder en "kantemitterande" konfiguration). Av de två typerna, den ytemitterande konfigurationen för halvledarlasrar erbjuder distinkta fördelar i hur lasrarna kan miniatyriseras, förpackade och testade för kommersiell produktion.

Den publicerade forskningen beskriver en ny teknik genom vilken en specifik typ av periodicitet introduceras i laserns optiska hålighet, låter den i grunden utstråla en stråle av god kvalitet med ökad strålningseffektivitet, vilket gör lasern mer kraftfull. Författarna kallar sitt schema för att ha ett "hybrid andra och fjärde ordningens Bragg-gitter" (i motsats till ett andra ordningens Bragg-gitter för den typiska ytemitterande lasern, varianter av vilka har använts i en mängd olika lasrar i nära tre decennier). Författarna hävdar att deras hybridgitterschema inte är begränsat till terahertzlasrar och potentiellt kan förbättra prestandan för en bred klass av ytemitterande halvledarlasrar som emitterar vid olika våglängder.

Rapporten diskuterar experimentella resultat för en monolitisk single-mode terahertz-laser med en uteffekt på 170 milliwatt, som är den mest kraftfulla hittills för en sådan klass av lasrar. Forskningen visar definitivt att det så kallade hybridgittret kan få lasern att sända ut vid en specifik önskad våglängd genom en enkel förändring av periodiciteten för det intryckta gittret i laserns hålighet samtidigt som dess strålkvalitet bibehålls. Kumar hävdar att effektnivåer på en watt och däröver bör kunna uppnås med framtida modifieringar av deras teknik – vilket kanske bara är den tröskel som behövs för att industrin ska kunna lägga märke till och gå in i potentiell kommersialisering av terahertz laserbaserade instrument.