Invisible à l'œil humain, les ondes électromagnétiques térahertz peuvent « voir à travers » tout, du brouillard et des nuages ​​au bois et à la maçonnerie, un attribut très prometteur pour la recherche en astrophysique, détection d'explosifs dissimulés et de nombreuses autres applications.

Les lasers térahertz peuvent produire des photons avec des fréquences de milliers de milliards de cycles par seconde, des énergies comprises entre celles des photons infrarouges et micro-ondes. Ces photons, cependant, sont notoirement difficiles à générer - et c'est là qu'intervient Benjamin Williams, professeur agrégé de génie électrique à l'UCLA. Lui et son groupe de recherche à la UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science travaillent d'arrache-pied à explorer « l'une des dernières frontières de l'électromagnétisme. spectre, " comme le décrit Williams.

La plupart des lasers optiques et infrarouges fonctionnent par transition d'électrons entre deux niveaux d'énergie dans un cristal semi-conducteur et émettant un photon. Cependant, ce processus ne s'étend pas si facilement au domaine térahertz.

"Si vous voulez produire un rayonnement térahertz, vous avez besoin d'un photon de très basse énergie, il faut donc deux niveaux d'énergie très proches l'un de l'autre, et c'est difficile à faire avec les semi-conducteurs que la nature nous donne, ", a déclaré Williams.

Lui et ses collaborateurs du Laboratoire des dispositifs térahertz et des nanostructures intersous-bandes produisent plutôt des photons térahertz en concevant des matériaux artificiels qui imitent les niveaux d'énergie des atomes. Ces soi-disant "lasers à cascade quantique" sont fabriqués en disposant différents semi-conducteurs en couches, dont certaines n'ont que quelques atomes d'épaisseur, pour former des puits quantiques. Les puits quantiques sont comme de minuscules "boîtes" qui confinent les électrons à certains niveaux d'énergie choisis par conception. Lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie à un autre, il émet des photons. Un seul électron peut cascader entre les nombreux puits quantiques d'un laser à cascade quantique et déclencher l'émission de plusieurs photons térahertz, produisant ainsi un faisceau laser puissant. Un autre avantage des lasers à cascade quantique est que la fréquence des photons émis peut être modulée.

"Au lieu de vous limiter à la bande interdite que vous offre la nature, on peut changer la largeur de ces puits quantiques pour choisir la bande interdite effective [et changer la fréquence des photons]. C'est un concept très puissant, ", a déclaré Williams.

Alors que les lasers à cascade quantique sont à la fois puissants et accordables en fréquence, un inconvénient important a été leur qualité de faisceau bas.

"Pensez à un pointeur laser, qui a une très belle poutre, " a dit Williams. " Le faisceau va où vous le voulez, et ça a l'air d'être un bel endroit. Vous ne gaspillez pas la lumière."

Lasers térahertz, d'autre part, ont souvent des faisceaux très divergents, ce qui signifie que le faisceau lumineux s'étend et devient par conséquent moins puissant. Dans certains cas, le faisceau d'un laser térahertz diverge tellement que seulement 0,1 pour cent de celui-ci finit là où il était initialement prévu.

Une réalisation majeure du laboratoire de Williams a été de créer un type de laser à cascade quantique térahertz qui possède à la fois un excellent faisceau et une puissance élevée.

« Notre innovation était de créer une surface artificielle composée de nombreuses petites antennes laser [structures métalliques qui fonctionnent chacune comme un amplificateur en cascade quantique]. L'effet net est un miroir qui réfléchit la lumière térahertz tout en l'amplifiant et en la focalisant en temps, " a déclaré Williams. "Nous pensons que cette capacité nous permettra de créer des lasers avec le contrôle de presque toutes les propriétés de la lumière-sa longueur d'onde, amplitude, phase, et la polarisation."

Williams et son équipe explorent également comment les lasers à cascade quantique peuvent être conçus pour fonctionner à température ambiante. Actuellement, les scientifiques doivent refroidir leurs lasers à 77 Kelvin (-321°F), une étape qui limite l'utilisation des lasers en dehors d'un laboratoire. Maintenant, Williams étudie la construction de ces lasers en utilisant des points quantiques au lieu de puits quantiques. Alors que les puits quantiques confinent le mouvement des électrons dans une seule dimension, les points quantiques restreignent leur mouvement dans les trois dimensions. Le confinement supplémentaire dans les points quantiques devrait réduire considérablement la dispersion des électrons, ce qui permettrait à ces lasers de fonctionner à température ambiante.

"Nous travaillons actuellement avec Diana Huffaker [professeure en génie électrique à l'UCLA], qui fait pousser des points quantiques, ", a déclaré Williams. "[Son travail] nous permettrait de faire les mêmes types d'ingénierie quantique avec des points quantiques que nous faisons actuellement avec des puits quantiques."