En terahertz -laser designad av MIT -forskare är den första som når tre viktiga prestandamål på en gång - hög konstant effekt, tätt strålmönster, och bred elektrisk frekvensinställning - och kan således vara värdefull för ett brett spektrum av tillämpningar inom kemisk avkänning och avbildning.

Den optimerade lasern kan användas för att upptäcka interstellära element i ett kommande NASA -uppdrag som syftar till att lära sig mer om vår galax ursprung. Här på jorden, den kraftfulla fotoniska trådlasern kan också användas för förbättrad avbildning av hud- och bröstcancer, upptäcka droger och sprängämnen, och mycket mer.

Lasers nya design parar flera halvledarbaserade, effektiva trådlasrar och tvingar dem att "faslåsa, "eller synkroniserade svängningar. Genom att kombinera utsignalen från paren längs matrisen produceras en enda, högeffektstråle med minimal stråldivergens. Justeringar av de individuella kopplade lasrarna möjliggör bred frekvensinställning för att förbättra upplösning och trohet i mätningarna. Att uppnå alla tre prestandamåtten innebär mindre brus och högre upplösning, för mer tillförlitlig och kostnadseffektiv kemisk upptäckt och medicinsk avbildning, säger forskarna.

"Människor har gjort frekvensinställningar i lasrar, eller gjort en laser med högljuskvalitet, eller med hög kontinuerlig vågkraft. Men varje design saknar de andra två faktorerna, "säger Ali Khalatpour, en doktorand i elektroteknik och datavetenskap och första författare på ett papper som beskriver lasern, publicerad idag i Nature Photonics . "Det här är första gången vi har uppnått alla tre mätvärdena samtidigt i chipbaserade terahertz-lasrar."

"Det är som" en ring för att styra dem alla, '"Tillägger Khalatpour, med hänvisning till den populära frasen från Sagan om ringen .

Ansluter Khalatpour på pappret är:Qing Hu, en framstående professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT som har gjort banbrytande arbete med terahertz kvantkaskadlasrar; och John L. Reno från Sandia National Laboratories.

Vald av NASA

Förra året, NASA tillkännagav Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO), ett uppdrag från 2021 att skicka ett ballongbaserat teleskop på hög höjd som bär fotoniska trådlasrar för att detektera syre, kol, och kväveutsläpp från det "interstellära mediet, "det kosmiska materialet mellan stjärnor. Omfattande data som samlats in under några månader kommer att ge insikt om stjärnfödelse och utveckling, och hjälp att kartlägga fler av Vintergatan och närliggande stora magellanska molngalaxer.

För en komponent i GUSTO kemiska detektor, NASA valde en ny halvledarbaserad terahertz-laser som tidigare designats av MIT-forskarna. Det är för närvarande den bäst presterande terahertz-lasern. Sådana lasrar är unikt lämpade för spektroskopisk mätning av syrekoncentrationer i terahertz -strålning, bandet i det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och synligt ljus.

Terahertz -lasrar kan skicka sammanhängande strålning till ett material för att extrahera materialets spektrala "fingeravtryck". Olika material absorberar terahertz -strålning i olika grader, vilket betyder att alla har ett unikt fingeravtryck som visas som en spektral linje. Detta är särskilt värdefullt i 1-5 terahertz-sortimentet:För smörjningsdetektering, till exempel, heroins signatur ses runt 1,42 och 3,94 terahertz, och kokain är runt 1,54 terahertz.

I åratal, Hu's lab har utvecklat nya typer av kvantkaskadlasrar, kallas "fotoniska trådlasrar". Som många lasrar, dessa är dubbelriktade, vilket betyder att de avger ljus i motsatta riktningar, vilket gör dem mindre kraftfulla. I traditionella lasrar, det problemet åtgärdas enkelt med noggrant placerade speglar inuti laserns kropp. Men det är väldigt svårt att fixa i terahertz -lasrar, eftersom terahertz -strålning är så lång, och lasern så liten, att det mesta av ljuset rör sig utanför laserns kropp.

I lasern som valts för GUSTO, forskarna hade utvecklat en ny design för trådlasrarnas vågledare - som styr hur den elektromagnetiska vågen rör sig längs lasern - för att avge enriktat. Detta uppnådde hög effektivitet och strålkvalitet, men det tillät inte frekvensjustering, som NASA krävde.

Tar en sida från kemi

Bygga på deras tidigare design, Khalatpour tog inspiration från en osannolik källa:organisk kemi. När jag tog en grundutbildning vid MIT, Khalatpour noterade en lång polymerkedja med atomer fodrade längs två sidor. De var "pi-bundna, "vilket betyder att deras molekylära orbitaler överlappade för att göra bindningen mer stabil. Forskarna tillämpade begreppet pi-bindning på sina lasrar, där de skapade nära förbindelser mellan annars oberoende trådlasrar längs en array. Detta nya kopplingsschema möjliggör faslåsning av två eller flera trådlasrar.

För att uppnå frekvensinställning, forskarna använder små "knoppar" för att ändra strömmen för varje trådlaser, som något förändrar hur ljuset rör sig genom lasern - kallat brytningsindex. Den brytningsindexändringen, när den appliceras på kopplade lasrar, skapar en kontinuerlig frekvensförskjutning till parets mittfrekvens.

För experiment, forskarna tillverkade en uppsättning av 10 pi-kopplade trådlasrar. Lasern drivs med kontinuerlig frekvensinställning i ett intervall på cirka 10 gigahertz, och en effekt på ungefär 50 till 90 milliwatt, beroende på hur många pi-kopplade laserpar som finns på matrisen. Strålen har en halvljusdivergens på 10 grader, vilket är ett mått på hur mycket strålen avviker från dess fokus över avstånd.

Forskarna bygger också för närvarande ett system för avbildning med högt dynamiskt omfång - större än 110 decibel - som kan användas i många applikationer som hudcancerbildning. Hudcancerceller absorberar terahertzvågor starkare än friska celler, så terahertz -lasrar kan eventuellt upptäcka dem. Lasrarna som tidigare använts för uppgiften, dock, är massiva och ineffektiva, och inte frekvensinställbar. Forskarnas enhet i chipstorlek matchar eller överträffar dessa lasrar i uteffekt, och erbjuder inställningsmöjligheter.

"Att ha en plattform med alla dessa prestandamätningar tillsammans ... kan avsevärt förbättra bildbehandlingskapaciteten och förlänga dess applikationer, "Säger Khalatpour.

"Det här är mycket trevligt arbete - inom THz [intervallet] har det varit mycket svårt att få höga effektnivåer från lasrar samtidigt med bra strålmönster, "säger Benjamin Williams, docent i fysisk och vågelektronik vid University of California i Los Angeles. "Innovationen är det nya sättet de har använt för att koppla ihop de flera trådlasrarna. Det är svårt, eftersom om alla lasrar i matrisen inte strålar i fas, då kommer strålmönstret att förstöras. De har visat att genom att placera angränsande trådlasrar på rätt sätt, de kan lockas till att "vilja" verka i ett koherent symmetriskt supermode - allt kollektivt utstrålar tillsammans i lås. Som en bonus, laserfrekvensen kan ställas in ... på önskad våglängd - en viktig egenskap för spektroskopi och ... för astrofysik. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.