Tecnología e innovación

Terahercios láser para la detección de la imagen y supera a sus predecesores | Noticias del MIT

Una de terahercios láser diseñado por el MIT, los investigadores es el primero en llegar a los tres principales objetivos de rendimiento a la vez — de alta potencia constante, rayo de luz patrón, y a la amplia eléctrica de frecuencia de sintonización — y, por tanto, podría ser útil para una amplia gama de aplicaciones en la detección química y de imagen.

El optimizados por láser puede ser utilizado para detectar interestelar elementos en una próxima misión de la NASA que tiene como objetivo aprender más acerca de nuestra galaxia orígenes. Aquí en la Tierra, la alta energía fotónica de alambre láser también podría ser utilizado para mejorar la piel y las imágenes de cáncer de mama, la detección de drogas y explosivos, y mucho más.

El láser de la novela de diseño de pares múltiples basados en semiconductores, eficiente alambre de láseres y les obliga a “bloqueo de fase”, o la sincronización de las oscilaciones. La combinación de la salida de los pares a lo largo de la matriz produce un único, de alta potencia de la viga con un mínimo de divergencia del haz. Ajustes a la persona junto láseres permiten frecuencia amplia de optimización para mejorar la resolución y fidelidad en las mediciones. El logro de estos tres métricas de rendimiento se traduce en menos ruido y mayor resolución, más confiable y costo-efectiva de detección química y procesamiento de imágenes médicas, los investigadores dicen.

“la Gente ha hecho de la frecuencia de sintonía en los láseres, o el hecho de un láser con alta calidad del haz, o con alta onda continua de energía. Pero cada diseño carece en los otros dos factores”, dice Ali Khalatpour, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y primer autor de un artículo describiendo el láser, que se publica hoy en Nature Photonics. “Esta es la primera vez que hemos conseguido los tres métricas al mismo tiempo en los chips basados en láseres de terahercios.”

“Es como” un anillo para gobernarlos a todos,'” Khalatpour añade, en referencia a la popular frase de “El Señor de los Anillos.”

Unirse a Khalatpour en el papel son: Hu Qing, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT que ha hecho una labor pionera en terahercios cuántica de los láseres de cascada; y John L. Reno de los Laboratorios Nacionales de Sandia.

Seleccionado por la NASA

el año Pasado, la NASA announced el Galáctico/Extragaláctica ULDB Espectroscópicas de Terahercios Observatorio (GUSTO), un 2021 misión para enviar un globo de gran altitud telescopio llevar fotónicos alambre de láser para la detección de oxígeno, carbono y nitrógeno de las emisiones de la “medio interestelar,” la radiación cósmica de material entre las estrellas. Amplia de los datos recogidos durante un par de meses se proporcionan datos sobre el nacimiento de estrellas y la evolución, y ayudar mapa de la vía Láctea y la cercana Gran Nube de Magallanes galaxias.

Para un componente del GUSTO química detector, la NASA seleccionó una novela basados en semiconductores terahercios láser previamente diseñado por los investigadores del MIT. Es actualmente el mejor rendimiento de terahercios láser. Estos láseres son especialmente adecuadas para espectroscópicas de la medición de las concentraciones de oxígeno en la radiación de terahercios, la banda del espectro electromagnético entre las microondas y la luz visible.

Terahercios láser puede enviar radiación coherente en un material para extraer el material espectrales de “huella”. Diferentes materiales de absorber la radiación de terahercios en diferentes grados, lo que significa que cada uno tiene una huella única que aparece como una línea espectral. Esto es especialmente valioso en el 1-5 rango de terahercios: Para la detección de contrabando, por ejemplo, la heroína de la firma del visto alrededor de 1.42 y 3.94 terahertz, y de la cocaína en torno 1.54 terahercios.

Durante años, Hu, del laboratorio ha sido el desarrollo de nuevos tipos de cascada cuántica láser, llamado “fotónica de alambre de láseres.” Como muchos láseres, estos son bidireccionales, lo que significa que emiten la luz en direcciones opuestas, lo que los hace menos potente. En las impresoras láser tradicionales, que el problema es fácil de remediar con atención a la colocación de espejos en el interior del laser del cuerpo. Pero es muy difícil de corregir en terahercios láseres, porque la radiación de terahercios es tan largo, y el láser tan pequeña, que la mayoría de la luz que viaja fuera del laser del cuerpo.

En el láser seleccionado para GUSTO, los investigadores han desarrollado un nuevo diseño para el alambre láser’ guías de onda — que controlar la forma de la onda electromagnética viaja a lo largo de la laser — emitir unidireccionalmente. Esto logra una alta eficiencia y calidad de la viga, pero no permiten la sintonización de frecuencias, en el cual la NASA necesario.

Tomar una página de la química

el Edificio en su diseño anterior, Khalatpour tomó inspiración de una fuente poco probable: la química orgánica. Mientras tomo un estudiante de la clase en el MIT, Khalatpour tomó nota de una larga cadena de polímero con átomos forrado a lo largo de dos lados. Ellos fueron “pi-unidos,” lo que significa que sus orbitales moleculares superpuesta a hacer el vínculo más estable. Los investigadores han aplicado el concepto de pi-la unión a sus láseres, donde se crearon cerca de las conexiones entre los independientes de alambre láser a lo largo de una matriz. Este nuevo esquema de acoplamiento permite que la fase de cierre de dos o alambre múltiples láseres.

Para lograr la sintonización de frecuencias, los investigadores utilizan pequeñas “perillas” para cambiar el actual de cada uno de los cables de láser, que cambia ligeramente cómo viaja la luz a través de la laser — llamado el índice de refracción. Que cambio de índice de refracción, cuando se aplica junto láseres, crea un continuo cambio de frecuencia a la par de la frecuencia central.

Para los experimentos, los investigadores fabricaron una matriz de 10 pi-junto de alambre de láseres. El láser operado con frecuencia continua optimización en un lapso de tiempo de 10 gigahercios, y una potencia de salida de aproximadamente 50 a 90 milivatios, dependiendo de cuántos pi-junto láser pares están en la matriz. La viga tiene una baja divergencia del haz de 10 grados, que es una medida de cuánto el rayo se aleja de su enfoque a través de distancias.

Los investigadores también están en la actualidad la construcción de un sistema para la obtención de imágenes con alto rango dinámico: más de 110 decibelios, que puede ser utilizado en muchas aplicaciones, tales como el cáncer de piel de imagen. El cáncer de piel de células de absorber las ondas de terahercios más fuertemente que las células sanas, por lo que terahercios láseres potencialmente podría detectar. Los láseres utilizados previamente para la tarea, sin embargo, son enormes e ineficientes, y no de la frecuencia sintonizable. Los investigadores’ chip dispositivo del tamaño de los partidos o se adelanta a los láseres de potencia de salida, y ofrece sintonía capacidades.

“Tener una plataforma con todas las métricas de rendimiento juntos … podría mejorar significativamente la capacidad de la imagen y extender sus aplicaciones,” Khalatpour dice.

“Esto es muy bonito el trabajo en la THz [rango] ha sido muy difícil obtener altos niveles de potencia de los láseres simultánea con buenos patrones de haz,” dice Benjamin Williams, profesor asociado de física y de la onda electrónica en la Universidad de California en Los Ángeles. “La innovación es la nueva forma que han utilizado a la par el alambre múltiples láseres juntos. Esto es complicado, ya que si todos los láseres en la matriz no se irradian en la fase, entonces el patrón de luz será arruinada. Ellos han demostrado que mediante la adecuada espaciado cable adyacente láser, pueden ser forzados a ‘querer’ para operar en un coherente simétrica supermode — todos colectivamente irradiando juntos al unísono. Como un bono, el láser de frecuencia puede ser atentos … a la longitud de onda deseada — una característica importante para la espectroscopia y … para la astrofísica.”

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