《naturaleza》: el MIT desarrolla un nuevo láser portátil de terahercios de alta potencia

Introducción a Jiangsu Laser Alliance: investigadores del MIT y la Universidad de Waterloo han desarrollado un dispositivo láser móvil de alta potencia llamado láser de cascada cuántica sintonizable. Este tipo de láser se puede utilizar en el laboratorio generado externamente. láser de terahercios. Los láseres podrían tener aplicaciones potenciales, como la localización del cáncer de piel y la detección de explosivos ocultos. Este resultado fue publicado en la revista "Nature" publicada recientemente.

El láser de cascada cuántica sintonizable desarrollado que puede producir un láser de terahercios

Hasta hoy, un láser de terahercios que genera suficiente energía puede lograr imágenes en tiempo real y temperaturas por debajo de 200K o más Mediciones espectrales rápidas en bajas temperaturas. Estas temperaturas sólo se pueden lograr reduciendo la temperatura general del dispositivo, limitando la tecnología al uso en laboratorio. En el número principal de Nature publicado recientemente, Qing Hu, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas del MIT, y sus colegas informaron que su láser de cascada cuántica puede funcionar a temperaturas superiores a 250 K. Esto significa que solo se puede utilizar un sistema de enfriamiento extraíble. suficiente.

Los láseres de cascada cuántica de terahercios, dispositivos láser semiconductores integrados en microchips, se inventaron por primera vez en 2002, pero hasta que la tecnología pudo adaptarse para funcionar por encima de 200 K resultó muy difícil porque la física en el campo impidió este objetivo. de lograrse, dijo Hu.

Al trabajar a una temperatura relativamente alta, eventualmente podremos aplicar esta tecnología en sistemas compactos y móviles y lograr avances en este campo, mientras la aplicamos fuera del laboratorio, dijo Hu. Esto hará que las imágenes móviles de terahercios y Sistemas de espectroscopia disponibles de inmediato en una amplia gama de aplicaciones, como medicina, bioquímica, seguridad y otros campos.

Hu comenzó a estudiar las frecuencias de terahercios, una banda del espectro electromagnético (de ondas) entre los rangos de microondas e infrarrojos, en 1991.

Esta investigación nos llevó 11 años, y los esfuerzos continuos de tres generaciones de estudiantes hicieron que nuestro láser en cascada de terahercios saliera en 2002. Dijo que a partir de entonces, el límite más alto de temperatura de funcionamiento se ha convertido en el más grande. obstáculo que limita nuestro uso de láseres de terahercios, que básicamente se mantienen por debajo de la temperatura ambiente. La temperatura máxima informada en este documento es de 250 K, lo que se considera un gran paso adelante con respecto al resultado anterior de 210 K obtenido en 2019 para una temperatura de funcionamiento de 210 K, que se logró en 2012. Este progreso se basó en 200 K y tomó 7 años. .

Este láser puede medir un objetivo con una longitud de sólo unos pocos milímetros y un grosor más delgado que un cabello humano.

Entendemos que existe la necesidad de que este láser supere la dificultad. Se dice que la barrera de fuga de electrones es un gran asesino, una estructura de pozo cuántico e ingeniería y obstáculos finamente personalizados. Dentro de estas estructuras, los electrones caen en cascada para formar una estructura escalonada, emitiendo una partícula de luz, o fotón, en cada paso.

Una innovación muy importante fue descrita en la revista "Nature Photonics", que consiste en evitar la fuga de electrones aumentando la altura de la barrera de multiplicación del láser. Este es un fenómeno que se utiliza para lograr un aumento a mayor altura. temperaturas. Entendemos que la barrera de fuga de electrones causará problemas en el sistema si no se puede utilizar un criostato para enfriar, dijo Hu que la opinión más popular es la dispersión. Al mismo tiempo, las barreras altas van acompañadas de daños, por lo que los obstáculos son altos. evitar.

El equipo de investigación desarrolló los parámetros correctos para la estructura de la banda, que se utiliza para barreras altas y nuevos diseños.

La mayor aportación del equipo de investigación reside en la simulación y fabricación de dispositivos cuánticos, que ha logrado avances muy importantes en los retos de los fotones THz.

En un entorno médico, el nuevo sistema láser móvil, que incluye una cámara compacta y un detector que se puede utilizar en cualquier lugar donde haya una toma de corriente, puede permitir obtener imágenes en tiempo real de exploraciones cutáneas de rutina o en la práctica de cáncer de piel durante la cirugía, estas células cancerosas aparecen muy claramente en el láser de terahercios porque contienen altas concentraciones de agua y sangre que las células normales.

Esta tecnología se puede aplicar en muchos campos industriales al mismo tiempo, siempre que sea necesario detectar objetos extraños, y los productos detectados deben garantizar la seguridad y la calidad.

La detección de gases, drogas y explosivos se ha convertido en un asunto más complicado utilizando láseres de terahercios. Por ejemplo, compuestos como el hidróxido, un agente que agota la capa de ozono, tienen información espectral específica de huellas dactilares en frecuencias de láser de terahercios, así como drogas, incluida la heroína, y explosivos como el TNT.

En un entorno médico, el nuevo sistema portátil, que incluye una cámara compacta y un detector y puede funcionar en cualquier lugar con una toma de corriente, podría proporcionar imágenes en tiempo real durante exámenes regulares de cáncer de piel o incluso durante procedimientos quirúrgicos. para extirpar tejidos cancerosos de la piel. Las células cancerosas aparecen "de manera muy dramática en terahercios" porque tienen concentraciones de agua y sangre más altas que las células normales, dice Hu.

La tecnología también podría aplicarse en muchas industrias donde La detección de objetos extraños dentro de un producto es necesaria para garantizar su seguridad y calidad.

La detección de gases, drogas y explosivos podría volverse especialmente sofisticada con el uso de radiación de terahercios. Por ejemplo, compuestos como hidróxido, un agente que destruye la capa de ozono, tiene una "huella digital" espectral especial dentro del rango de frecuencia de terahercios, al igual que las drogas, incluidas la metanfetamina y la heroína, y los explosivos, incluido el TNT.

Uso de detectores piroeléctricos a temperatura ambiente y dispositivo de medición de TH en cámara. para THZ QCL refrigerado por TEC

Utilizando un láser de terahercios, no solo podemos observar materiales ópticamente opacos (materiales de cuerpo negro), sino también identificar sustancias. Dijo Hu.

También dijo: El láser de terahercios se puede generar sin necesidad de un sistema de enfriamiento, de modo que el objetivo pueda observarse claramente

De: Sistemas láser de terahercios portátiles de alta potencia, Nature Photonics (2020): 10.1038/s41566-020-00707-5, www.nature.com/articles/s41566-020-00707-5