De gauche à droite :les contributeurs à la recherche et les étudiants diplômés en génie électrique et informatique de Lehigh Ji Chen, Liang Gao et Yuan Jin se tiennent dans le laboratoire de photonique térahertz de Sushil Kumar dans le bâtiment Sinclair de l'université Lehigh. Crédit :Sushil Kumar, Université Lehigh
La capacité d'exploiter la lumière dans un faisceau intense de rayonnement monochromatique dans un laser a révolutionné notre façon de vivre et de travailler depuis plus de cinquante ans. Parmi ses nombreuses applications figurent les communications de données ultrarapides et de grande capacité, fabrication, opération, lecteurs de codes-barres, imprimantes, technologie de conduite autonome et affichages de lumière laser spectaculaires. Les lasers trouvent également leur place dans la spectroscopie atomique et moléculaire utilisée dans diverses branches de la science ainsi que pour la détection et l'analyse d'un large éventail de produits chimiques et de biomolécules.
Les lasers peuvent être classés en fonction de leur longueur d'onde d'émission dans le spectre électromagnétique, dont les lasers à lumière visible, tels que ceux des pointeurs laser, ne sont qu'une petite partie. Les lasers infrarouges sont utilisés pour les communications optiques à travers des fibres. Les lasers ultraviolets sont utilisés pour la chirurgie oculaire. Et puis il y a les lasers térahertz, qui font l'objet d'une enquête au sein du groupe de recherche de Sushil Kumar, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université Lehigh.
Les lasers térahertz émettent un rayonnement qui se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge le long du spectre électromagnétique. Leur rayonnement peut pénétrer les matériaux d'emballage courants tels que les plastiques, tissus et carton, et sont également remarquablement efficaces dans la détection optique et l'analyse d'une grande variété de produits chimiques. Ces lasers ont le potentiel d'être utilisés dans le dépistage et la détection non destructifs d'explosifs emballés et de drogues illicites, évaluation de composés pharmaceutiques, le dépistage du cancer de la peau et même l'étude de la formation des étoiles et des galaxies.
Des applications telles que la spectroscopie optique nécessitent que le laser émette un rayonnement à une longueur d'onde précise, ce qui est le plus souvent obtenu en mettant en œuvre une technique connue sous le nom de « rétroaction distribuée ». De tels dispositifs sont appelés lasers monomodes. Exiger un fonctionnement monomode est particulièrement important pour les lasers térahertz, puisque leurs applications les plus importantes seront en spectroscopie térahertz. Les lasers térahertz sont encore en phase de développement et les chercheurs du monde entier tentent d'améliorer leurs caractéristiques de performance pour répondre aux conditions qui les rendraient commercialement viables.
En haut :Image au microscope électronique à balayage d'un laser à semi-conducteur térahertz à émission de surface à haute puissance avec des réseaux hybrides. Plusieurs lasers sont fabriqués sur une puce semi-conductrice à l'arséniure de gallium. Chaque laser mesure environ 1,5 mm de long, 10 microns d'épaisseur et varie en largeur entre 0,1 mm à 0,2 mm. En bas :Illustration artistique du laser térahertz en fonctionnement. Le matériau semi-conducteur du laser est pris en sandwich entre des couches métalliques en haut et en bas. Un réseau périodique est introduit dans la couche métallique supérieure sous la forme d'ouvertures d'où la lumière pourrait s'échapper. Une interaction des réseaux de Bragg du deuxième et du quatrième ordre (se manifestant par une alternance de fentes simples et doubles) conduit à un rayonnement intense provenant de périodes alternées de la structure périodique, se combinant de manière cohérente en un faisceau laser monolobe de haute qualité dans la direction normale de la surface. Crédit :Sushil Kumar, Université Lehigh
Au fur et à mesure qu'il se propage, le rayonnement térahertz est absorbé par l'humidité atmosphérique. Par conséquent, une exigence clé pour de tels lasers est un faisceau intense tel qu'il puisse être utilisé pour la détection optique et l'analyse de substances maintenues à une distance de sécurité de plusieurs mètres ou plus, et ne pas être absorbé. À cette fin, L'équipe de recherche de Kumar se concentre sur l'amélioration de leur intensité et de leur luminosité, réalisable en partie en augmentant la puissance optique de sortie.
Dans un article récent publié dans la revue Communication Nature , l'équipe Lehigh, supervisée par Kumar en collaboration avec Sandia National Laboratories, a présenté une technique simple mais efficace pour améliorer la puissance de sortie des lasers monomodes « à émission par la surface » (par opposition à ceux utilisant un « à émission par les bords » configuration). Des deux types, la configuration d'émission de surface pour les lasers à semi-conducteurs offre des avantages distinctifs dans la façon dont les lasers pourraient être miniaturisés, emballé et testé pour la production commerciale.
La recherche publiée décrit une nouvelle technique par laquelle un type spécifique de périodicité est introduit dans la cavité optique du laser, lui permettant de rayonner fondamentalement un faisceau de bonne qualité avec une efficacité de rayonnement accrue, rendant ainsi le laser plus puissant. Les auteurs appellent leur schéma comme ayant un "réseau de Bragg hybride du deuxième et du quatrième ordre" (par opposition à un réseau de Bragg du deuxième ordre pour le laser à émission de surface typique, dont les variations sont utilisées dans une grande variété de lasers depuis près de trois décennies). Les auteurs affirment que leur schéma de réseau hybride ne se limite pas aux lasers térahertz et pourrait potentiellement améliorer les performances d'une large classe de lasers à semi-conducteurs à émission de surface qui émettent à différentes longueurs d'onde.
Le rapport discute des résultats expérimentaux pour un laser térahertz monomode monolithique avec une puissance de sortie de 170 milliwatts, qui est le plus puissant à ce jour pour une telle classe de lasers. La recherche montre de manière concluante que le réseau dit hybride est capable de faire émettre le laser à une longueur d'onde spécifique souhaitée par une simple modification de la périodicité du réseau imprimé dans la cavité du laser tout en maintenant la qualité de son faisceau. Kumar soutient que des niveaux de puissance d'un watt et plus devraient être réalisables avec de futures modifications de leur technique, ce qui pourrait bien être le seuil à franchir pour que l'industrie en prenne note et se lance dans la commercialisation potentielle d'instruments à laser térahertz.
