Un laser térahertz conçu par des chercheurs du MIT est le premier à atteindre trois objectifs de performances clés à la fois :une puissance constante élevée, modèle de faisceau serré, et un large accord de fréquence électrique - et pourrait donc être utile pour un large éventail d'applications dans la détection et l'imagerie chimiques.

Le laser optimisé peut être utilisé pour détecter des éléments interstellaires dans une prochaine mission de la NASA qui vise à en savoir plus sur les origines de notre galaxie. Ici sur Terre, le laser à fil photonique haute puissance pourrait également être utilisé pour améliorer l'imagerie du cancer de la peau et du sein, détection de drogues et d'explosifs, et beaucoup plus.

La nouvelle conception du laser associe plusieurs semi-conducteurs, lasers à fil efficaces et les oblige à "verrouiller la phase, " ou des oscillations de synchronisation. La combinaison de la sortie des paires le long du réseau produit un seul, faisceau de haute puissance avec une divergence de faisceau minimale. Les ajustements des lasers couplés individuels permettent un large réglage de fréquence pour améliorer la résolution et la fidélité des mesures. Atteindre les trois mesures de performance signifie moins de bruit et une résolution plus élevée, pour une détection chimique et une imagerie médicale plus fiables et plus économiques, disent les chercheurs.

"Les gens ont fait le réglage de fréquence dans les lasers, ou fabriqué un laser avec une qualité de faisceau élevé, ou avec une puissance d'onde continue élevée. Mais chaque conception manque des deux autres facteurs, " dit Ali Khalatpour, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique et premier auteur d'un article décrivant le laser, publié aujourd'hui dans Photonique de la nature . "C'est la première fois que nous atteignons les trois mesures en même temps dans des lasers térahertz à puce."

"C'est comme 'un anneau pour les gouverner tous, '", ajoute Khalatpour, se référant à l'expression populaire de Le Seigneur des Anneaux .

Rejoindre Khalatpour sur le papier sont :Qing Hu, un éminent professeur de génie électrique et d'informatique au MIT qui a fait des travaux de pionnier sur les lasers à cascade quantique térahertz; et John L. Reno des laboratoires nationaux de Sandia.

Sélectionné par la NASA

L'année dernière, La NASA a annoncé l'observatoire spectroscopique térahertz galactique/extragalactique ULDB (GUSTO), une mission 2021 pour envoyer un télescope à haute altitude basé sur un ballon transportant des lasers à fil photonique pour détecter l'oxygène, carbone, et les émissions d'azote du « milieu interstellaire, " la matière cosmique entre les étoiles. Des données exhaustives recueillies sur quelques mois donneront un aperçu de la naissance et de l'évolution des étoiles, et aidez à cartographier davantage la Voie lactée et les galaxies du Grand Nuage de Magellan à proximité.

Pour un composant du détecteur chimique GUSTO, La NASA a sélectionné un nouveau laser térahertz à base de semi-conducteurs précédemment conçu par les chercheurs du MIT. C'est actuellement le laser térahertz le plus performant. De tels lasers sont particulièrement adaptés à la mesure spectroscopique des concentrations d'oxygène dans le rayonnement térahertz, la bande du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière visible.

Les lasers térahertz peuvent envoyer un rayonnement cohérent dans un matériau pour extraire l'« empreinte digitale » spectrale du matériau. Différents matériaux absorbent le rayonnement térahertz à différents degrés, ce qui signifie que chacun a une empreinte digitale unique qui apparaît sous la forme d'une ligne spectrale. Ceci est particulièrement utile dans la gamme 1-5 terahertz :Pour la détection de contrebande, par exemple, la signature de l'héroïne est visible autour de 1,42 et 3,94 terahertz, et la cocaïne à environ 1,54 terahertz.

Pendant des années, Le laboratoire de Hu a développé de nouveaux types de lasers à cascade quantique, appelés « lasers à fil photonique ». Comme beaucoup de lasers, ceux-ci sont bidirectionnels, ce qui signifie qu'ils émettent de la lumière dans des directions opposées, ce qui les rend moins puissants. Dans les lasers traditionnels, ce problème est facilement résolu avec des miroirs soigneusement positionnés à l'intérieur du corps du laser. Mais c'est très difficile à corriger dans les lasers térahertz, parce que le rayonnement térahertz est si long, et le laser si petit, que la majeure partie de la lumière se déplace à l'extérieur du corps du laser.

Dans le laser sélectionné pour GUSTO, les chercheurs avaient développé une nouvelle conception pour les guides d'ondes des lasers à fil - qui contrôlent la façon dont l'onde électromagnétique se déplace le long du laser - pour émettre de manière unidirectionnelle. Cela a permis d'obtenir une efficacité et une qualité de faisceau élevées, mais il ne permettait pas le réglage de fréquence, dont la NASA avait besoin.

Prendre une page de la chimie

S'appuyant sur leur conception précédente, Khalatpour s'est inspiré d'une source improbable :la chimie organique. Tout en suivant un cours de premier cycle au MIT, Khalatpour a noté une longue chaîne de polymère avec des atomes alignés sur deux côtés. Ils étaient "pi-bonded, " ce qui signifie que leurs orbitales moléculaires se chevauchent pour rendre la liaison plus stable. Les chercheurs ont appliqué le concept de liaison pi à leurs lasers, où ils ont créé des connexions étroites entre des lasers à fil autrement indépendants le long d'un réseau. Ce nouveau schéma de couplage permet le verrouillage de phase de deux ou plusieurs lasers à fil.

Pour obtenir un accord de fréquence, les chercheurs utilisent de minuscules « boutons » pour modifier le courant de chaque laser à fil, ce qui modifie légèrement la façon dont la lumière traverse le laser, appelé indice de réfraction. Ce changement d'indice de réfraction, lorsqu'il est appliqué à des lasers couplés, crée un décalage de fréquence continu vers la fréquence centrale de la paire.

Pour les expériences, les chercheurs ont fabriqué un réseau de 10 lasers à fil couplés pi. Le laser fonctionnait avec un réglage de fréquence continu sur une plage d'environ 10 gigahertz, et une puissance de sortie d'environ 50 à 90 milliwatts, en fonction du nombre de paires de lasers à couplage pi présents sur le réseau. Le faisceau a une divergence de faible faisceau de 10 degrés, qui est une mesure de combien le faisceau s'éloigne de son foyer sur des distances.

Les chercheurs construisent également actuellement un système d'imagerie avec une plage dynamique élevée, supérieure à 110 décibels, qui peut être utilisé dans de nombreuses applications telles que l'imagerie du cancer de la peau. Les cellules cancéreuses de la peau absorbent plus fortement les ondes térahertz que les cellules saines, les lasers térahertz pourraient donc potentiellement les détecter. Les lasers précédemment utilisés pour la tâche, cependant, sont massives et inefficaces, et non réglable en fréquence. L'appareil de la taille d'une puce des chercheurs correspond ou dépasse ces lasers en puissance de sortie, et offre des capacités de réglage.

« Avoir une plate-forme avec toutes ces mesures de performance ensemble… pourrait considérablement améliorer les capacités d'imagerie et étendre ses applications, ", dit Khalatpour.

"C'est un très beau travail - dans le [gamme] THz, il a été très difficile d'obtenir des niveaux de puissance élevés à partir de lasers simultanément avec de bons faisceaux, " dit Benjamin Williams, professeur agrégé d'électronique physique et ondulatoire à l'Université de Californie à Los Angeles. "L'innovation est la nouvelle façon qu'ils ont utilisée pour coupler les lasers à plusieurs fils ensemble. C'est délicat, car si tous les lasers du réseau ne rayonnent pas en phase, alors le modèle de faisceau sera ruiné. Ils ont montré qu'en espaçant correctement les lasers à fil adjacents, ils peuvent être amenés à « vouloir » fonctionner dans un supermode symétrique cohérent, tous rayonnant collectivement ensemble. En prime, la fréquence du laser peut être réglée... sur la longueur d'onde souhaitée, une caractéristique importante pour la spectroscopie et... pour l'astrophysique."

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.