Фізика
Технології
Фізика
Технології

Терагерцовий лазер вдалося використати поза лабораторними умовами

Дослідникам з Массачусетського технологічного інституту та університету Ватерлоо вдалося обійти температурні обмеження для використання терагерцових лазерів - тепер для їхнього масового використання їм потрібен лише невеличкий кулер та електрична розетка. Завдяки цьому з’явиться можливість точніше ідентифікувати підозрілі об’єкти в аеропортах та навіть визначати рак шкіри на ранніх стадіях. Вчені планують розробити таку конструкцію лазера, яка б дала змогу працювати навіть за кімнатних температур, говориться у статті, опублікованій у Nature Photonics.

Зображення променів, зроблені за температур -63,15 градуса Цельсію (b), -53,15 градуса Цельсію (c), -43,15 градуса Цельсію (d) та -38,15 градуса Цельсію (e)

Зображення променів, зроблені за температур -63,15 градуса Цельсію (b), -53,15 градуса Цельсію (c), -43,15 градуса Цельсію (d) та -38,15 градуса Цельсію (e)

Де можна застосувати терагерцові лазери?

Терагерцове випромінювання - це діапазон електромагнітних коливань між інфрачервоним спектром і радіо. Довжина цих хвиль приблизно дорівнює від 0,01 до 3 міліметрів. Таке випромінювання також називають субміліметровим або Т-променями. Для фундаментальної науки воно цікаве тим, що терагерцові хвилі співвідносяться з періодом коливань електронів у твердих тілах, для практичного ж застосування таке випромінювання можна використовувати для зондування та візуалізації об’єктів для їхньої ідентифікації. Наприклад, в аеропортах, вокзалах, бо наркотики, у тому числі метамфетамін і героїн, або вибухові речовини, як тротил, мають особливий спектральний "відбиток" в терагерцовому діапазоні.

Також терагерцові лазери можуть бути корисними навіть для медичних досліджень. Так нещодавно вчені провели серію експериментів та з’ясували, що терагерцове випромінювання може впливати на білок актин, не руйнуючи цілісність клітини, що дасть змогу протидіяти раку.

Чому їх не використовували раніше?

Досі для генерації терагерцового випромінювання, достатньо потужного для отримання зображень і спектральних вимірювань в реальному часі, були потрібні температури, яких можна було досягнути лише в лабораторних умовах, що обмежує повсюдне застосування цієї технології. Вчені намагалися якось знизити цей температурний бар’єр з моменту винайдення крихітних напівпровідникових лазерних пристроїв з вбудованими мікросхемами. За 10 років з мінус 73,15 градуса Цельсію їм вдалося просунутися лише до мінус 62,65 градуса Цельсію. Ця ситуація навіть отримала назву «терагерцовий провал» (THz gap) - фізики припускали, що існує якась фундаментальна фізична причина, що перешкоджає зниженню температури. Однак у новому дослідженні вчені повідомляють, що їм вдалося побити всі рекорди та використати квантово-каскадний лазер за температури мінус 23,15 градуса Цельсію. Тобто тепер для його роботи знадобиться лише переносний кулер.

Підвищуючи робочу температуру лазер можна перетворити на компактну портативну систему і нарешті винести цю технологію за межі лабораторії. У медичних або безпекових установах система матиме лише камеру і детектор, які зможуть працювати в будь-якому місці з доступом до електроенергії.

Що зробили вчені?

У своєму дослідженні фізики використовували квантово-каскадний лазер. Це напівпровідниковий лазер, що випромінює в ближньому і далекому інфрачервоному діапазоні та на відміну від звичайних, утворює електромагнітні хвилі при переході електронів між шарами гетероструктури напівпровідника. Всередині структури електрони «спускаються каскадом» вниз, випускаючи фотони на кожній “сходинці”. Дослідники виявили, що кріогенного охолодження такі лазери потребують через великі витрати електронів під час цього процесу, тому вирішили збільшити ці бар’єри. Їх вдалося подвоїти, збільшивши кількість алюмінію на 15%.

Також вчені розробили конструкцію лазера за принципом “прямих фононів”, які після розсіювання на нижчих “сходинках” служать інжектором для переходу електронів на вищий рівень, що дає змогу уникнути потреби знижувати робочу температуру. При цьому його потужності вистачає для швидкої візуалізації зображень та здійснення вимірювань в режимі реального часу: лазерний промінь зображається в середньому з частотою 320 × 240 терагерц за 2 секунди на 32-кадровій камері.