پرتوافکنی چشمه لیزر تراهرتز در دمای اتاق

اخیراً محققانی از امریکا و سوئیس برای نخستین بار، موفق به ساخت یک چشمه همدوس
تراهرتز(۱۰ به توان ۱۲ هرتز) ـ که دمای کاری‌ آن در حد دمای اتاق است ـ شده‌اند.
این چشمه که بر اساس فناوری نانوی تجاری‌شده در حوزه صنعت نیمه‌رسانا ساخته شده‌است،
می‌تواند در آینده کاربردهایی چون تصویربرداری زیستی و آشکارسازی امنیتی داشته باشد
و در تحقیقات مربوط به علم مواد استفاده شود.

تابش تراهرتز شامل طول‌ موج‌هایی است که بین نواحی مایکرویو و زیرقرمز قرار
دارند(طول‌موج‌هایی بین ۱ تا۰/۰۳ میلی‌متر). پیش از این تنها لیزرهای نیمه‌رسانای
فشرده‌ای که چنین تابشی انجام می‌دادند، لیزرهای کوانتومی آبشاری یا QCLها بودند.
گونه‌های کنونی این ابزار تنها قادرند تا در دماهای برودتی‌ِپایین‌تر از۲۰۰ درجه
کلوین، تابش تراهرتز داشته باشند.

شکل جدیدی از QCL ـ که به‌وسیله فدریکو کاپاسو از دانشکده‌ مهندسی و علوم کاربردی
هاروارد و همکارانش از دانشگاه تگزاس و ای‌تی‌اچِ زوریخ ساخته شده‌است ـ پرتو
تراهرتزی با توان چندصد نانووات در دمای اتاق تابش می‌کند. در دماهای سردسازی
دمابرقی‌ای که هم‌اکنون به‌صورت تجاری در دسترسند(حدود ۲۵۹ درجه کلوین)، این توان
به میکرووات افزایش پیدا می‌کند. علاوه بر این، از طریق بهینه‌سازی لایه‌های
نانوساختار نیمه‌رسانای ناحیه فعال لیزر و ارتقای بازده استخراج تابش تراهرتز، می‌توان
توان مذکور را به مقدار بیشتری افزایش داد.

این گروه، لیزر خود را از ماده‌ای ساخته‌اند که دارای خصوصیتِ «تولید بسامدِ تفاضلی
یا DPG » است. در این خاصیت، ماده پس از برانگیختگی با دو پرتو نوری، علاوه بر
بازتابش دو بسامد فرودی، یک پرتو ـ که بسامدی برابر با تفاضل دو بسامد فرودی دارد ـ
را تابش می‌کند. چشمه‌های تابش تراهرتزی که مبتنی بر DFG هستند، از چندین سال قبل
مورد استفاده قرار گرفته‌اند؛ اما این ابزارها به لیزرهای برانگیزاننده پرتوان و
بلورهای غیر خطی بزرگ(برای تولید تفاوتِ بسامدِ مورد نیاز) نیازمندند. این در حالی
است که لیزر ابداعی این گروه به وسیله الکتریسیته برانگیخته می‌شود. کاپاسو در این
خصوص می‌گوید:«ابزار ما تمام فرایندهای کاری خود را در یک بلور نیمه‌رسانای کوچک با
ابعاد چند میلی‌متر، اجرا می‌کند و نیازی به لیزرهای بزرگ بیرونی ندارد. در نتیجه
این ابزار، فشرده، قابل‌حمل و کم‌مصرف است».

این ابزار می‌تواند در آینده در آشکارسازی اسلحه‌های مخفی یا مواد شیمیایی انفجاری،
و یا در تصویربرداری از نمونه‌های زیستی کاربرد داشته باشد. کاپاسو
افزود:«آشکارسازی عیوبِ مواد مثل ترک‌‌ها، یکی از کاربردهای مهم این ابزار است.»
هم‌اکنون این گروه می‌خواهد تا توان خروجی چشمه خود را در دمای اتاق و دماهای
سردسازی دمابرقی افزایش دهد.

نتایج این تحقیق در نشریه .Appl. Phys. Lett به چاپ رسیده‌است.