La gamme de fréquences térahertz, qui se situe au milieu du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, offre le potentiel de communications à large bande passante, imagerie ultra haute résolution, détection précise à longue portée pour la radioastronomie, et beaucoup plus.

Mais cette partie du spectre électromagnétique est restée hors de portée pour la plupart des applications. C'est parce que les sources actuelles de fréquences térahertz sont encombrantes, inefficace, ont un réglage limité, ou doit fonctionner à basse température.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec le Massachusetts Institute of Technology et l'armée américaine, ont développé un compact, température ambiante, laser térahertz largement accordable.

La recherche est publiée dans Science .

"Ce laser surpasse n'importe quelle source laser existante dans cette région spectrale et l'ouvre, pour la première fois, à un large éventail d'applications en science et technologie, " a déclaré Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique à SEAS et co-auteur principal de l'article.

"Il y a beaucoup de besoins pour une source comme ce laser, des choses comme à courte portée, communications sans fil à large bande passante, radar à très haute résolution, et spectroscopie, " dit Henry Everitt, technologue principal au U.S. Army CCDC Aviation &Missile Center et co-auteur principal de l'article.

Everitt est également professeur adjoint de physique à l'Université Duke.

Alors que la plupart des sources térahertz électroniques ou optiques utilisent inefficace, et des systèmes complexes pour produire les fréquences insaisissables avec une plage d'accord limitée, Capasso, Everit, et leur équipe a adopté une approche différente.

Pour comprendre ce qu'ils ont fait, Passons en revue quelques notions de physique de base sur le fonctionnement d'un laser.

En physique quantique, les atomes ou les molécules excités se situent à différents niveaux d'énergie - pensez à ceux-ci comme aux étages d'un bâtiment. Dans un laser à gaz typique, un grand nombre de molécules sont piégées entre deux miroirs et portées à un niveau d'énergie excité, aka un étage supérieur dans le bâtiment. Quand ils atteignent cet étage, ils se décomposent, tomber d'un niveau d'énergie, et émettre un photon. Ces photons stimulent la désintégration de plus de molécules lorsqu'ils rebondissent, conduisant à une amplification de la lumière. Pour changer la fréquence des photons émis, vous devez changer le niveau d'énergie des molécules excitées.

Donc, comment changer le niveau d'énergie ? Une façon est d'utiliser la lumière. Dans un processus appelé pompage optique, la lumière élève les molécules d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur, comme un ascenseur quantique. Les lasers moléculaires térahertz précédents utilisaient des pompes optiques, mais ils étaient limités dans leur accordabilité à quelques fréquences seulement, ce qui signifie que l'ascenseur n'allait qu'à un petit nombre d'étages.

La percée de cette recherche est que Capasso, Everit, et leur équipe a utilisé un hautement accordable, laser à cascade quantique (QCL) comme pompe optique. Ces puissants, lasers portatifs, co-inventé par Capasso et son groupe aux Bell Labs dans les années 1990, sont capables de produire efficacement une lumière largement réglable. En d'autres termes, cet ascenseur quantique peut s'arrêter à chaque étage du bâtiment.

La théorie pour optimiser le fonctionnement du nouveau laser a été développée par Steven Johnson, professeur de mathématiques appliquées et de physique au MIT, et son étudiant diplômé Fan Wang.

Les chercheurs ont combiné la pompe laser à cascade quantique avec un laser à l'oxyde nitreux, c'est-à-dire au gaz hilarant.

« En optimisant la cavité laser et les lentilles, nous avons pu produire des fréquences couvrant près de 1 terahertz, " dit Arman Amirzhan, un étudiant diplômé dans le groupe de Capasso et co-auteur de l'article.

"Les lasers moléculaires THz pompés par un laser à cascade quantique offrent une puissance élevée et une large plage de réglage dans une conception étonnamment compacte et robuste, " a déclaré le lauréat du prix Nobel Theodor Hänsch de l'Institut Max-Planck d'optique quantique à Munich, qui n'a pas participé à cette recherche. "De telles sources ouvriront de nouvelles applications de la détection à la spectroscopie fondamentale."

"Ce qui est excitant, c'est que le concept est universel, " dit Paul Chevalier, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article. "En utilisant ce cadre, vous pouvez créer une source térahertz avec un laser à gaz de presque n'importe quelle molécule et les applications sont énormes. »

"Ce résultat est unique en son genre, " a déclaré Capasso. " Les gens savaient comment fabriquer un laser térahertz auparavant, mais ne pouvaient pas le faire à large bande. Ce n'est que lorsque nous avons commencé cette collaboration, après une rencontre fortuite avec Henry lors d'une conférence, que nous avons pu établir la connexion que vous pouviez utiliser une pompe largement réglable comme le laser à cascade quantique. »

Ce laser pourrait être utilisé dans tout, de l'amélioration de l'imagerie du cancer de la peau et du sein à la détection de médicaments, sécurité aéroportuaire, et des liaisons optiques sans fil à ultra-haute capacité.

"Je suis particulièrement enthousiasmé par la possibilité d'utiliser ce laser pour aider à cartographier le milieu interstellaire, " a déclaré Everitt. " Les molécules ont des empreintes spectrales uniques dans la région térahertz, et les astronomes ont déjà commencé à utiliser ces empreintes digitales pour mesurer la composition et la température de ces nuages ​​primordiaux de gaz et de poussière. Une meilleure source de rayonnement térahertz au sol comme notre laser rendra ces mesures encore plus sensibles et précises."

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'université Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.