Мощный портативный терагерцовый лазер

Исследователи разработали мощную портативную версию устройства, называемого квантовым каскадным лазером, который может генерировать терагерцовое излучение вне лабораторных условий. Лазер потенциально может быть использован в таких приложениях, как обнаружение рака кожи и обнаружение скрытых взрывчатых веществ.

До сих пор для генерации терагерцового излучения, достаточно мощного для получения изображений в реальном времени и быстрых спектральных измерений, требовались температуры намного ниже 200 кельвинов (-100 ° F) или ниже. Таких температур можно было достичь только с помощью громоздкого оборудования, которое ограничивало использование технологии лабораторными установками. Терагерцовый квантово-каскадный лазер может работать при температуре до 250 К (-10 °F), а это означает, что требуется только компактный портативный холодильник.

Лазеры, длина которых составляет всего несколько миллиметров и тоньше человеческого волоса, представляют собой структуры с квантовыми ямами с тщательно спроектированными колодцами и барьерами. Внутри структуры электроны «каскадируют» вниз по своеобразной лестнице, испуская световые частицы, или фотоны, на каждом шагу.

Одним из важных нововведений было удвоение высоты барьеров внутри лазера для предотвращения утечки электронов — явление, которое имело тенденцию усиливаться при высоких температурах. Раньше спорадически исследовались более высокие барьеры, но они давали худшие результаты. Исследователи разработали правильные параметры ленточной структуры для высоких ограждений и концептуально новую схему оптимизации конструкции.

Это нововведение было сопряжено с прямой фононной схемой, которая поддерживает работу лазера через конфигурацию, в которой нижние уровни генерации каждого модуля или ступени лестницы структуры быстро освобождаются от электронов за счет рассеяния фононов (или единицы колебательной энергии) в основное состояние, которое затем служит инжектором электронов на верхний уровень следующего шага, и процесс повторяется. Такое расположение электронов в системе необходимо для возникновения генерации.

Между квантовыми ямами и барьерами существует около 15 000 интерфейсов, половина из которых не имеет толщины даже семи атомных слоев. Качество и воспроизводимость этих интерфейсов имеют решающее значение для работы терагерцовых лазеров.

В медицинских учреждениях новая портативная система, которая включает в себя компактную камеру и детектор и может работать в любом месте, где есть электрическая розетка, может обеспечивать визуализацию в режиме реального времени во время регулярных скринингов рака кожи или даже во время хирургических процедур по удалению раковых тканей кожи. Раковые клетки резко проявляются в терагерцовом диапазоне, потому что в них концентрация воды и крови выше, чем в нормальных клетках.

Технология также может применяться во многих отраслях, где обнаружение посторонних предметов внутри продукта необходимо для обеспечения его безопасности и качества. Обнаружение газов, наркотиков и взрывчатых веществ может стать особенно сложным с использованием терагерцового излучения. Такие соединения, как гидроксид, озоноразрушающий агент, имеют особый спектральный «отпечаток пальца» в терагерцовом диапазоне частот, как и наркотики, включая метамфетамины и героин, и взрывчатые вещества, включая тротил.