Le rayonnement térahertz - la bande du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière visible - a des applications prometteuses dans l'imagerie médicale et industrielle et la détection chimique, entre autres utilisations.

Mais bon nombre de ces applications dépendent de petites, sources de rayons térahertz à faible consommation d'énergie, et la méthode standard pour les produire implique un encombrant, avide de pouvoir, appareil de table.

Depuis plus de 20 ans, Qing Hu, un éminent professeur de génie électrique et d'informatique au MIT, et son groupe ont travaillé sur des sources de rayonnement térahertz pouvant être gravées sur des micropuces. Dans le dernier numéro de Photonique de la nature , des membres du groupe de Hu et des collègues des laboratoires nationaux Sandia et de l'Université de Toronto décrivent une nouvelle conception qui augmente de 80 % la puissance de sortie des lasers térahertz montés sur puce.

En tant que source térahertz montée sur puce la plus performante à ce jour, l'appareil des chercheurs a été sélectionné par la NASA pour fournir une émission térahertz pour sa mission Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory (GUSTO). La mission est destinée à déterminer la composition du milieu interstellaire, ou la matière qui remplit l'espace entre les étoiles, et il utilise des rayons térahertz car ils sont particulièrement bien adaptés à la mesure spectroscopique des concentrations d'oxygène. Parce que la mission déploiera des ballons chargés d'instruments dans la haute atmosphère terrestre, l'émetteur térahertz doit être léger.

La conception des chercheurs est une nouvelle variante d'un dispositif appelé laser à cascade quantique avec rétroaction distribuée. "Nous avons commencé avec ça parce que c'était le meilleur là-bas, " dit Ali Khalatpour, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique et premier auteur de l'article. "Il a les performances optimales pour le térahertz."

Jusqu'à maintenant, cependant, l'appareil a eu un inconvénient majeur, c'est-à-dire qu'il émet naturellement un rayonnement dans deux directions opposées. Étant donné que la plupart des applications du rayonnement térahertz nécessitent une lumière dirigée, cela signifie que l'appareil gaspille la moitié de sa production d'énergie. Khalatpour et ses collègues ont trouvé un moyen de rediriger 80 pour cent de la lumière qui sort habituellement à l'arrière du laser, pour qu'il se déplace dans la direction souhaitée.

Comme l'explique Khalatpour, la conception des chercheurs n'est liée à aucun « moyen de gain, " ou une combinaison de matériaux dans le corps du laser.

"Si nous arrivons à un meilleur médium de gain, nous pouvons doubler sa puissance de sortie, trop, " dit Khalatpour. " Nous avons augmenté la puissance sans concevoir un nouveau milieu actif, ce qui est assez dur. D'habitude, même une augmentation de 10 % nécessite beaucoup de travail dans tous les aspects de la conception."

Grandes vagues

En réalité, émission bidirectionnelle, ou émission de lumière dans des directions opposées, est une caractéristique commune à de nombreuses conceptions laser. Avec les lasers conventionnels, cependant, il est facile d'y remédier en plaçant un miroir sur une extrémité du laser.

Mais la longueur d'onde du rayonnement térahertz est si longue, et les nouveaux lasers des chercheurs, connus sous le nom de lasers à fil photonique, sont si petits, qu'une grande partie de l'onde électromagnétique parcourant la longueur du laser se trouve en fait à l'extérieur du corps du laser. Un miroir à une extrémité du laser réfléchirait une infime fraction de l'énergie totale de l'onde.

La solution de Khalatpour et de ses collègues à ce problème exploite une particularité de la conception du minuscule laser. Un laser à cascade quantique se compose d'une longue arête rectangulaire appelée guide d'ondes. Dans le guide d'ondes, les matériaux sont disposés de telle sorte que l'application d'un champ électrique induit une onde électromagnétique le long du guide d'ondes.

Cette vague, cependant, est ce qu'on appelle une "onde stationnaire". Si une onde électromagnétique peut être considérée comme un gribouillis régulier de haut en bas, puis l'onde se réfléchit d'avant en arrière dans le guide d'ondes de telle sorte que les crêtes et les creux des réflexions coïncident parfaitement avec ceux des ondes se déplaçant en sens inverse. Une onde stationnaire est essentiellement inerte et ne rayonnera pas hors du guide d'ondes.

Ainsi, le groupe de Hu coupe des fentes régulièrement espacées dans le guide d'ondes, qui permettent aux rayons térahertz de rayonner. "Imaginez que vous ayez une pipe, et tu fais un trou, et l'eau sort, " dit Khalatpour. Les fentes sont espacées de sorte que les ondes qu'elles émettent se renforcent mutuellement - leurs crêtes coïncident - uniquement le long de l'axe du guide d'ondes. À des angles plus obliques par rapport au guide d'ondes, Ils s'annulent mutuellement.

Rupture de symétrie

Dans le nouveau travail, Khalatpour et ses coauteurs—Hu, John Reno de Sandia, et Nazir Kherani, un professeur de science des matériaux à l'Université de Toronto — il suffit de mettre des réflecteurs derrière chacun des trous du guide d'ondes, une étape qui peut être intégrée de manière transparente dans le processus de fabrication qui produit le guide d'ondes lui-même.

Les réflecteurs sont plus larges que le guide d'ondes, et ils sont espacés de sorte que le rayonnement qu'ils réfléchissent renforce l'onde térahertz dans un sens mais l'annule dans l'autre. Une partie de l'onde térahertz qui se trouve à l'extérieur du guide d'ondes parvient toujours autour des réflecteurs, mais 80% de l'énergie qui aurait quitté le guide d'ondes dans la mauvaise direction est maintenant redirigée dans l'autre sens.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.