Draagbare Terahertz Laser: High-Power Quantum Cascade Apparaat voor Medische Imaging & Beveiliging

Kwantum Kaskade Laser Genereert Terahertz Straling bij 250K (-10°F) voor Draagbaar Gebruik

Onderzoekers hebben een hoog-vermogen, draagbare versie van een apparaat genaamd een quantum cascade laser ontwikkeld die terahertz straling kan genereren buiten een laboratoriumomgeving. De laser kan potentiëel gebruikt worden in toepassingen zoals het lokaliseren van huidkanker en het detecteren van verborgen explosieven.

Tot nu toe vereiste de generatie van terahertz straling krachtig genoeg voor real-time imaging en snelle spectrale metingen temperaturen ver onder 200 kelvin (-100 °F) of lager. Deze temperaturen konden alleen bereikt worden met grote apparatuur die de technologie beperkte tot een laboratoriumomgeving. De terahertz quantum cascade laser kan functioneren bij temperaturen tot 250 K (-10 °F), wat betekent dat alleen een compacte draagbare koeler vereist is.

Technische Innovaties

De lasers, die slechts een paar millimeters in lengte meten en dunner zijn dan een menselijk haar, zijn kwantumputstructuren met zorgvuldig op maat gemaakte putten en barrières. Binnen de structuur "cascaderen" elektronen een soort trap af, emittend een lichtdeeltje, of foton, bij elke stap.

Een belangrijke innovatie was het verdubbelen van de hoogte van de barrières binnen de laser om lekkage van de elektronen te voorkomen, een fenomeen dat toe nam bij hoge temperaturen. Eerder werden hogere barrières sporadisch verkend, maar leverden inferieure resultaten op. De onderzoekers ontwikkelden de juiste parameters voor de bandstructuur voor hoge barrières en een conceptueel nieuwe optimalisatieschema voor het ontwerp.

Deze innovatie werd gekoppeld met een direct fonon-schema dat de laser in werking houdt door een configuratie waarin lagere laserniveaus van elk module, of trappen van de structuur's trap, snel ontdoen van elektronen via fonon- (of een eenheid van trillingsenergie) verstrooiing in een grondtoestand, die dan fungeert als de injector van elektronen in de volgende stap's bovenste niveau en het proces herhaalt. Zo'n rangschikking van de elektronen in het systeem is essentieel voor lasing.

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

Medische en Industriële Toepassingen

In een medische omgeving kan het nieuwe draagbare systeem – dat een compacte camera en detector omvat en overal kan werken met een elektrisch stopcontact – real-time imaging bieden tijdens reguliere huidkankerscreenings of zelfs tijdens chirurgische procedures om huidkankerweefsel te exciseren. De kankercellen tonen zich dramatisch in terahertz omdat ze hogere water- en bloedconcentraties hebben dan normale cellen.

De technologie kan ook toegepast worden in veel industrieën waar detectie van vreemde objecten binnen een product noodzakelijk is om de veiligheid en kwaliteit te waarborgen. Detectie van gassen, drugs en explosieven kan met name geavanceerd worden met het gebruik van terahertz straling. Stoffen zoals hydroxide, een ozon-vernietigingsmiddel, hebben een speciale spectrale "vingerafdruk" binnen het terahertz frequentiebereik, evenals drugs zoals methamfetamines en heroïne, en explosieven zoals TNT.