Terahercowe lasery to niezwykle obiecujące urządzenia, które mogą znaleźć zastosowanie między innymi w obrazowaniu medycznym. Niestety, wymagają olbrzymich systemów chłodzenia, przez co dotychczas można je było znaleźć jedynie w laboratoriach naukowych. Teraz może się to zmienić, a wszystko dzięki pracy zespołu naukowego kierowanego przez Zbiga Wasilewskiego z kanadyjskiego University of Waterloo oraz Qing Hu z MIT.

Amerykańsko-kanadyjski zespół naukowy stworzył właśnie kaskadowy laser kwantowy o dużej mocy, który działa bez wielkich systemów chłodzenia. Pracuje on już w temperaturze 250 kelwinów (-23,15 stopnia Celsjusza). Dotychczas tego typu systemy wymagały schłodzenia do co najmniej 210 kelwinów (-63,15 stopnia Celsjusza). Nowemu laserowi wystarczy więc niewielki system chłodzący. A naukowcy przekonują, że nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa.

Promieniowanie terahercowe mieści się pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Długość jego fali wynosi od 3 mm do 30 um. Wiele molekuł absorbuje promieniowanie w tych zakresach, co pozwala np. na identyfikowanie takich molekuł. Olbrzymią zaletą promieniowania THz jest fakt, że przenika ono przez wiele materiałów, takich jak papier, ubrania czy plastik. To oznacza, że promieniowanie takie – podobnie jak promieniowanie rentgenowskie – można wykorzystać do obrazowania wnętrz obiektów.

Jednak w przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego fotony w zakresie teraherców mają stosunkowo niską energię, jest to więc promieniowanie niejonizujące, zatem bezpieczne do użycia w medycynie czy naukach biologicznych. Kolejną jego zaletą jest fakt, że długość jego fali jest mniejsza niż w przypadku promieniowania mikrofalowego, co pozwala na uzyskanie obrazów o wyższej rozdzielczości.

Na zdjęciu po prawej stronie widać mały chip laserowy z termoelektryczną chłodnicą na bloku obok kubka do kawy. Tłem jest duża chłodnica kriogeniczna. Po lewej stronie widać maleńki terahercowy QCL.

Wszystko to wygląda dobrze w teorii, jednak gorzej z praktycznym wykorzystaniem. Promieniowanie w zakresie 0,1–10 THz jest rzadko wykorzystywane ze względu na ograniczenia technologiczne. Wyzwaniem jest bowiem wygenerowanie promieniowania THz o odpowiedniej mocy.

Jednym z jego źródeł mogą być kwantowe lasery kaskadowe (QCL), gdyż łatwo można je dostrajać do potrzeb. Problem jednak w tym, że lasery takie wymagają bardzo niskich temperatur do pracy. W 2019 roku naukowcy z EHT Zurich stworzyli QCL generujący światło w zakresie THz, który pracował w temperaturze 210 kelwinów. System taki wciąż wymagał dużych systemów chłodzących. Teraz zaś grupa Wasilewskiego i Hu pochwaliła się tego typu laserem pracującym przy 250 kelwinach. A taki laser można już chłodzić za pomocą niewielkiego systemu.

Wrażliwość kwantowych laserów kaskadowych na temperaturę wynika z ich budowy. QCL korzystają z kwantowych studni i barier składających się z tysięcy cienkich warstw półprzewodnika. Przechodząc przez kolejne warstwy elektron emituje fotony o których częstotliwości decyduje struktura warstw. W zbyt wysokiej temperaturze elektrony mają tendencję do „wyciekania” ze studni kwantowych, co niekorzystnie odbija się na wydajności lasera.

Autorzy najnowszego osiągnięcia udoskonalili laser tworząc nową strukturę półprzewodnikową. Składa się ona z niemal 15 000 interfejsów pomiędzy studniami kwantowymi a barierami, wyjaśnia Wasilewski. Połowa z tych barier ma grubość mniej niż 7 atomów. Jakość wykonania tych interfejsów jest kluczowa dla wydajności lasera.

Hu informuje, że jednym z pierwszych zastosowań, w jakich zostanie przetestowany udoskonalony laser terahercowy będzie obrazowanie w czasie rzeczywistym komórek nowotworu skóry. Komórki nowotworowe są niezwykle wyraźnie widoczne w promieniowaniu terahercowym, gdyż zawierają więcej wody i krwi niż zdrowe komórki, a woda bardzo silnie absorbuje promieniowanie w zakresie THz. Technologię tę można również wykorzystać do wykrywania np. metaamfataminy, heroiny czy materiałów wybuchowych takich jak TNT, gdyż również są one dobrze widoczne w promieniowaniu THz.

To jednak nie wszystko. Na łamach Nature Photonics naukowcy mówią, że powinno być możliwe stworzenie kwantowego lasera kaskadowego pracującego w zakresie THz, który w ogóle nie będzie wymagał chłodzenia. Już teraz planują dalsze prace nad zwiększaniem temperatury, w której może działać taki laser.

Grupa Hu pracuje też nad czujnikami promieniowania w zakresie teraherców. Większość sygnałów w paśmie THz jest dość słabych. Niezależnie od tego, czy pochodzą ze źródeł pozaziemskich (aż 90% fotonów we wszechświecie znajduje się w paśmie THz) czy źródeł ziemskich, zwiększenie możliwości ich wykrycia znakomicie ułatwi badania i przetwarzanie takich sygnałów, dodaje Hu.

 

 

Źródło: PhysicsWorld, https://physicsworld.com/a/terahertz-laser-leaves-the-lab,  https://news.mit.edu/2020/terahertz-laser-portable-1102
5 2 votes
Article Rating