Cipurile-laser cu unde terahertz stabilesc un nou record

Cercetătorii au anunţat că au depăşit debitul de putere de un watt de radiaţie terahertz al cipului-laser cuantic cascadă, cu unde terahertz (quantum cascade terahertz laser). Radiaţia terahertz are multe aplicaţii, dar sursele de radiaţie terahetz cu intensitate mare sunt greu de construit.

Undele terahertz, ce se găsesc în zona spectrului electromagnetic între undele infraroşii şi microunde, sunt invizibile dar incredibil de utile. Ele pot penetra multe materiale opace, care blochează lumina vizibilă şi de asemenea sunt perfecte pentru detectarea unei multitudini de molecule. Datorită acestor caracteristici ar avea potenţialul de a ajuta în monitorizarea produselor farmaceutice, de a percepe de la distanţă amprente chimice ale unor substanţe explozive în plicuri nedeschise sau de a detecta prezenţa celulelor canceroase la oameni prin metode non-invazive. Aceste aplicaţii ar putea să ne readucă în memorie legendarul „Tricorder” din Star Trek, un instrument portabil analitic cu întrebuinţări multiple.

Totuşi, una dintre provocările majore pentru ingineri şi oamenii de ştiinţă este aceea de a face aceste lasere cât mai puternice şi suficient de compacte pentru a fi utilizabile. Radiaţia terahertz poate fi produsă folosind minuscule lasere cuantice aşezate în cascadă, cu dimensiuni de doar câţiva milimetri. Acest tip particular de lasere constă în straturi de semiconductori concepute special la o scală nanometrică. O cale posibilă de a mări puterea laserului este aceea de a utiliza mai multe straturi de semiconductori. Dacă este aplicat un impuls electric potrivit, electronii sar din strat în strat, la fiecare pas emiţând energie sub formă de lumină. Un număr mai mare de straturi înseamnă că electronul îşi schimbă stările de energie de mai multe ori atunci când trece prin structură şi astfel creşte numărul fotonilor emişi. Însă producerea unor astfel de structuri multi-strat este extrem de dificilă.

„Deşi este posibilă construirea unor instrumente de mari dimensiuni care generează raze puternice de radiaţii terahertz, aceste instrumente sunt utile numai pentru o serie limitată de aplicaţii”, explică Edmund Linfield, profesor de electronică terahertz al Şcolii de Inginerie Electrică şi Electronică din cadrul Universităţii Leeds.

„Avem nevoie de lasere terahertz care nu oferă doar o putere mare, ci sunt în acelaşi timp portabile şi ieftine”, mai spune Linfield.

Laserele cuantice cascadă, cu unde terhertz, pe care le dezvoltă Linfield şi colegii săi au dimensiuni de numai câţiva milimetri pătraţi.

În octombrie 2013, Universitatea de Tehnologie din Viena anunţa că cercetătorii săi au depăşit recordul mondial al debitului de putere oferit de laserele cuantice în cascadă, cu unde terahertz, deţinut anterior de către Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT).

Echipa austriacă raporta atunci că a reuşit să obţină un debit de putere de 0,47 waţi dintr-o singură faţetă a laserului, aproape dublu faţă de puterea laserului creat de echipa MIT.

Acum echipa de cercetători din Leeds anunţă că a reuşit să obţină un debit de peste un watt dintr-o singură interfaţă de laser.

„Procesul de construire a acestor lasere este extraordinar de delicat. Straturi de diferiţi semiconductori, cum ar fi arseniura de galiu, sunt aşezate pe rând unul peste altul, punânându-se căte un monostrat atomic o dată”, a precizat Linfield.

„Controlăm cu mare precizie grosimea şi compoziţia fiecărui strat în parte şi construim un material semiconductor format de regulă din 1.000 până la 2.000 de straturi”, a adăugat profesorul.

Consiliul pentru Cercetare în Fizică şi Inginerie a fost principala sursă de finanţare pentru acest proiect, care a fost publicat în Electronics Letters.