Террагерцовый лазер будет искать наркотики в аэропортах и не только

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) выявили важное свойство лазеров с перестраиваемой частотой. Их работа была опубликована в недавнем выпуске журнала Nature Photonics.

Электромагнитные волны террагерцового диапазона (1-10 TГц), т.е. 30-300 мкм, долгое время оставались "в тени", находясь между микроволновым диапазоном, в котором работают твердотельные электронные устройства и высокими частотами, на которых работают устройства инфракрасной фотоники. Волны ТГц диапазона не только легче проникают под одежду и ткани человека, но и оказывают меньшее негативное влияние на организм, чем рентгеновские лучи. Также они могут помочь ответить на некоторые важные вопросы, ведь их частоты соответствуют энергиям молекулярных колебаний и межмолекулярных связей больших биомолекул в газах и жидкостях. Свое применение эти волны смогут найти от обнаружения опасной взрывчатки до визуализация различных процессов или объектов в фармакологии и медицине.

Одной из причин, по которой волны террагерцового диапазона пока еще не обрели большой популярности, является сложность их генерации, особенно возможность перестройки частоты, что является необходимым условием для детектирования резонансных частот различных материалов. В этом возможно смогут помочь квантовые каскадные лазеры (QCL), как говорит профессор Qing Hu, руководитель исследовательской группы MIT. QCL, впервые выпущенные в 1994 году в Bell Labs, не состоят из сплошного слоя полупроводника, - а из периодической структуры тонких слоев, формирующих так называемую сверхрешетку или одномерную квантовую яму, разделяющую полосу разрешенных зон энергий на подзоны. Это означает, что электроны рекомбинируют не за один большой переход, а каскадом, в несколько меньших шагов, что и приводит к меньшим энергетическим затратам для террагерцового диапазона волн. И хотя QCL позволяют настроить длину волны в достаточно широком диапазоне работы системы - используя слои GaAs/AlGaAs - контроль толщины слоев материалов во время работы лазера остается проблемой. Типичные методы перестройки частоты, такие как изменение коэффициента преломления или внедрения внешней ячейки с изменяющейся длиной, не подходят. Грань лазера гораздо меньше, чем длина волны излучаемого света.

Тем не менее, в похожей ситуации оказались исследователи так называемого "проводного лазера" (wire laser), когда длина волны лазера гораздо больше поперечного сечения активной среды. "Это лазер с размерами меньше длины волны излучения, - говорит Hu, - это означает, что значительная часть поперечных мод лазера распространяется вне твердой сердцевины лазерного резонатора". Такая необычная геометрия дает возможность к различным подходам в перестройке частоты. Помещая металл (золото) или диэлектрик (кремний) в переменное поле затухающих колебаний, можно изменять частоту на выходе. Такой метод можно использовать и в других лазерах, однако в первую очередь это дает возможность перестройки частоты лазера террагерцового диапазона. Такие лазеры скорее всего еще не очень скоро появятся в аэропортах, поскольку все требуется время на доработку и исследование их свойств. К тому же, они работают при температурах ниже 186 К, что конечно потребует их охлаждения. Но и Hu, и "QCL пионер" Jerome Faist, считают что эту проблему можно решить. Либо изменив конструкцию, либо использовав другие материалы, например, нитрид галлия.

НАНОМЕТР.ру