Terahertz-lasrar kan snart få sitt ögonblick. Sänder strålning som sitter någonstans mellan mikrovågor och infrarött ljus längs det elektromagnetiska spektrumet, terahertz -lasrar har varit i fokus för intensiva studier på grund av deras förmåga att tränga igenom vanliga förpackningsmaterial som plast, tyger, och kartong och användas för identifiering och detektion av olika kemikalier och biomolekylära arter, och även för avbildning av vissa typer av biologisk vävnad utan att orsaka skada. Att uppfylla terahertzlasrars potential för oss beror på att förbättra deras intensitet och ljusstyrka, uppnås genom att förbättra effekt och strålkvalitet.

Sushil Kumar, docent vid Lehigh Universitys institution för elektroteknik och datateknik, och hans forskargrupp arbetar i framkant av terahertz halvledar "quantum-cascade" laser (QCL) teknik. Under 2018, Kumar, som också är ansluten till Lehighs Center for Photonics and Nanoelectronics (CPN) rapporterade om en enkel men ändå effektiv teknik för att förbättra uteffekten för enkelmodlasers baserat på en ny typ av "distribuerad feedback" -mekanism. Resultaten publicerades i tidskriften Natur Kommunikation och fick mycket uppmärksamhet som ett stort framsteg inom terahertz QCL-teknik. Arbetet utfördes av doktorander, inklusive Yuan Jin, övervakas av Kumar och i samarbete med Sandia National Laboratories.

Nu, Kumar, Jin och John L. Reno från Sandia rapporterar ännu ett terahertz-teknikgenombrott:de har utvecklat en ny faslåsningsteknik för plasmoniska lasrar och, genom dess användning, uppnått en rekordhög effekt för terahertzlasrar. Deras laser producerade den högsta strålningseffektiviteten för någon enkelvåglängd halvledarkvantalkaskadlaser. Dessa resultat förklaras i en uppsats, "Faslåst terahertz plasmonisk lasermatris med 2 W uteffekt i ett enda spektralläge" publicerades igår i Optica .

"Som vi förstår det, strålningseffektiviteten för våra terahertzlasrar är den högsta som visats för någon envågs-QCL hittills och är den första rapporten om en strålningseffektivitet på mer än 50 % som uppnåtts i sådana QCL, "sa Kumar." En så hög strålningseffektivitet överträffade våra förväntningar, och det är också en av anledningarna till att uteffekten från vår laser är betydligt större än vad som har uppnåtts tidigare. "

För att förbättra optisk effekt och strålkvalitet för halvledarlasrar, forskare använder ofta faslåsning, ett elektromagnetiskt styrsystem som tvingar en rad optiska hålrum att avge strålning i låssteg. Terahertz QCL, som använder optiska kaviteter med metallbeläggningar (beklädnader) för ljusinneslutning, är en klass av lasrar som kallas plasmoniska lasrar som är ökända för sina dåliga strålningsegenskaper. Det finns bara ett begränsat antal tekniker tillgängliga i tidigare litteratur, de säger, som skulle kunna användas för att förbättra strålningseffektiviteten och uteffekten för sådana plasmoniska lasrar med betydande marginaler.

"Vår artikel beskriver ett nytt faslåsningsschema för plasmoniska lasrar som skiljer sig tydligt från tidigare forskning om faslåsta lasrar i den omfattande litteraturen om halvledarlasrar, "säger Jin." Den demonstrerade metoden använder sig av rörliga ytvågor av elektromagnetisk strålning som ett verktyg för faslåsning av plasmoniska optiska hålrum. Metodens effektivitet demonstreras genom att uppnå rekordhög uteffekt för terahertz-lasrar som har ökats med en storleksordning jämfört med tidigare arbete. "

Resande ytvågor som sprider sig längs metallskiktet i hålrummen, men utanför i det omgivande mediet av hålrummen snarare än inuti, är en unik metod som har utvecklats i Kumars grupp under de senaste åren och en som fortsätter att öppna nya vägar för ytterligare innovation. Teamet förväntar sig att deras lasers uteffektnivå kan leda till samarbeten mellan laserforskare och applikationsforskare för utveckling av terahertz -spektroskopi och avkänningsplattformar baserade på dessa lasrar.

Denna innovation inom QCL -teknik är resultatet av en långsiktig forskningsinsats från Kumars laboratorium i Lehigh. Kumar och Jin utvecklade tillsammans den slutgiltigt implementerade idén genom design och experiment under en period på cirka två år. Samarbetet med Dr Reno från Sandia National Laboratories tillät Kumar och hans team att ta emot halvledarmaterial för att bilda det optiska kvantkaskadmediet för dessa lasrar.

Den främsta innovationen i detta arbete, enligt forskarna, är i utformningen av de optiska kaviteterna, vilket är något oberoende av egenskaperna hos halvledarmaterialet. Det nyförvärvade induktivt kopplade plasma (ICP) etsningsverktyget vid Lehighs CPN spelade en kritisk roll för att skjuta prestandagränserna för dessa lasrar, de säger.

Denna forskning representerar ett paradigmskifte i hur sådana envågslängda terahertz-lasrar med smala strålar utvecklas och kommer att utvecklas framöver, säger Kumar, tillägger:"Jag tror att framtiden för terahertz -lasrar ser väldigt ljus ut."