Переносной терагерцовый лазер: высокомощный квантовый каскадный прибор для медицинской визуализации и безопасности

Исследователи разработали высокомощную переносную версию квантового каскадного лазера, способного генерировать терагерцовое излучение вне лабораторных условий. Лазер может потенциально использоваться для точечного выявления рака кожи и обнаружения скрытых взрывчатых веществ.

Прорыв в температурном режиме

До сих пор генерация терагерцового излучения достаточной мощности для визуализации в реальном времени и быстрых спектральных измерений требовала температур далеко ниже 200 К (-100 °F) или ниже. Эти температуры можно было достичь только с помощью громоздкого оборудования, что ограничивало применение технологии лабораторными условиями. Новый терагерцовый квантовый каскадный лазер работает при температурах до 250 К (-10 °F), поэтому требуется только компактный переносной охладитель.

Структура и принцип действия

Лазеры, длина которых составляет всего несколько миллиметров, а толщина — меньше человеческого волоса, представляют собой квантовые колодца с тщательно спроектированными колодцами и барьерами. Внутри структуры электроны «каскадно» спускаются по лестнице, излучая частицу света — фотон — на каждой ступени.

Важным новшеством стало удвоение высоты барьеров внутри лазера для предотвращения утечки электронов, явление, которое усиливалось при высоких температурах. Ранее более высокие барьеры исследовались эпизодически, но давали неудовлетворительные результаты. Исследователи разработали правильные параметры зонной структуры для высоких барьеров и концептуально новую схему оптимизации дизайна.

Это нововведение было объединено с прямой фононной схемой, обеспечивающей работу лазера через конфигурацию, в которой нижние лазерные уровни каждого модуля (ступени лестницы структуры) быстро освобождаются от электронов за счет фононного (кванта вибрационной энергии) рассеяния в основное состояние, которое затем служит инжектором электронов в верхний уровень следующей ступени, и процесс повторяется. Такое расположение электронов в системе необходимо для генерации лазерного излучения.

Технологическая сложность

Существует около 15 000 границ разделения между квантовыми колодцами и барьерами, половина из которых не превышает семи атомных слоев толщины. Качество и воспроизводимость этих границ критически важны для производительности терагерцовых лазеров.

Медицинские и промышленные применения

В медицинской сфере новая переносная система — включающая компактную камеру и детектор и способная работать от обычной розетки — может обеспечивать визуализацию в реальном времени при регулярных скринингах рака кожи или даже во время операций по удалению раковых тканей. Раковые клетки ярко выделяются в терагерцовом диапазоне, так как имеют более высокие концентрации воды и крови, чем нормальные клетки.

Технологию также можно применять во многих отраслях, где обнаружение посторонних предметов в продукте необходимо для обеспечения его безопасности и качества. Обнаружение газов, наркотиков и взрывчатых веществ может стать особенно совершенным с использованием терагерцового излучения. Вещества вроде гидроксида, агента, разрушающего озон, имеют особый спектральный «отпечаток» в терагерцовом диапазоне, как и наркотики (метамфетамин, героин) и взрывчатка (тротил).