Krachtige, draagbare Terahertz-laser

Onderzoekers hebben een krachtige, draagbare versie ontwikkeld van een apparaat dat een kwantumcascadelaser wordt genoemd en dat terahertz-straling kan genereren buiten een laboratoriumomgeving. De laser kan mogelijk worden gebruikt in toepassingen zoals het opsporen van huidkanker en het opsporen van verborgen explosieven.

Tot nu toe vereiste het genereren van terahertz-straling die krachtig genoeg was om real-time beeldvorming en snelle spectrale metingen uit te voeren, temperaturen ver onder 200 kelvin (-100 ° F) of lager. Deze temperaturen konden alleen worden bereikt met omvangrijke apparatuur die het gebruik van de technologie tot een laboratoriumomgeving beperkte. De terahertz-kwantumcascadelaser kan werken bij temperaturen tot 250 K (-10 °F), wat betekent dat er alleen een compacte draagbare koeler nodig is.

De lasers, die slechts enkele millimeters lang zijn en dunner zijn dan een mensenhaar, zijn kwantumputstructuren met zorgvuldig op maat gemaakte putten en barrières. Binnen de structuur "cascaderen" elektronen een soort trap af, waarbij bij elke stap een lichtdeeltje of foton wordt uitgezonden.

Een belangrijke innovatie was de verdubbeling van de hoogte van de barrières in de laser om lekkage van de elektronen te voorkomen, een fenomeen dat de neiging had om toe te nemen bij hoge temperaturen. Eerder werden sporadisch hogere barrières onderzocht, maar deze leverden inferieure resultaten op. De onderzoekers ontwikkelden de juiste parameters voor de bandstructuur voor hoge barrières en een conceptueel nieuw optimalisatieschema voor het ontwerp.

Deze innovatie ging gepaard met een direct fonon-schema dat ervoor zorgt dat de laser blijft werken via een configuratie waarin lagere laserniveaus van elke module, of treden van de trap van de structuur, snel worden ontvolkt van elektronen door fonon (of een eenheid van trillingsenergie) die wordt verstrooid in een grondtoestand, die vervolgens dient als de injector van elektronen naar het bovenste niveau van de volgende stap en het proces herhaalt zich. Een dergelijke rangschikking van de elektronen in het systeem is essentieel voor het optreden van laserstraling.

Er zijn bijna 15.000 interfaces tussen kwantumbronnen en barrières, waarvan de helft niet eens zeven atoomlagen dik is. De kwaliteit en reproduceerbaarheid van deze interfaces zijn van cruciaal belang voor de prestaties van terahertz-lasers.

In een medische omgeving kan het nieuwe draagbare systeem - dat een compactcamera en detector omvat en overal met een stopcontact kan werken - realtime beeldvorming bieden tijdens reguliere screening op huidkanker of zelfs tijdens chirurgische procedures om huidkankerweefsels weg te snijden. De kankercellen verschijnen dramatisch in terahertz omdat ze hogere water- en bloedconcentraties hebben dan normale cellen.

De technologie kan ook worden toegepast in veel industrieën waar de detectie van vreemde voorwerpen in een product noodzakelijk is om de veiligheid en kwaliteit ervan te garanderen. De detectie van gassen, drugs en explosieven kan bijzonder geavanceerd worden met het gebruik van terahertz-straling. Verbindingen zoals hydroxide, een ozonafbrekend middel, hebben een speciale spectrale "vingerafdruk" binnen het terahertz-frequentiebereik, evenals drugs, waaronder methamfetaminen en heroïne, en explosieven, waaronder TNT.