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Il laser a raggi Terahertz: una nuova frontiera nel campo dei laser, molto promettente per il futuro

laser a raggi Terahertz e violino

I raggi Terahertz: un approccio totalmente nuovo alla regolazione della frequenza di un laser ci porta un passo più vicini agli scanner aeroportuali in grado di distinguere l'aspirina da esplosivi.

Per più di 30 anni, gli scienziati hanno cercato di sfruttare la potenza di radiazione terahertz. Nascosto tra le microonde e raggi infrarossi nello spettro elettromagnetico, il laser a raggi Terahertz può penetrare abbigliamento, plastica e tessuti umani, ma questi raggi sono pensati per essere più sicuri di raggi-x. Dato che sono assorbiti in misura diversa da molecole diverse, possono anche rivelare le sostanze chimiche di cui sono composti i materiali che attraversano: uno scanner Terahertz a un posto di blocco dell'aeroporto, per esempio, potrebbe determinare se un flaconcino in una valigia chiusa contiene aspirina, metanfetamine o un esplosivo.

Il laser a raggi Terahertz: una rivoluzione

Ma le modalità pratiche per generare i raggi Terahertz sono state difficili da trovare. Laser a gas tradizionali possono operare nella giusta banda di frequenza, ma sono grandi, costosi e affamati di energia. Laser a semiconduttori - quelli che si trovano in un lettore DVD - sono piccoli e poco costosi, ma sono difficili da spostare da una limitata gamma spettrale: considerare il tempo impiegato per passare dal laser a infrarossi dei primi lettori CD per il laser azzurro di dischi Blu-Ray.
Nel 1994, ricercatori del Bell Labs hanno inventato un nuovo tipo di laser a semiconduttore piccolo ma potente chiamato un laser a cascata quantica, che nel 2002, si è dimostrato di essere in grado di operare a frequenze terahertz. Ma valutare con precisione la composizione chimica di un oggetto richiede che sia esposto a una serie continua di frequenze, che vengono assorbite in misura diversa.

In un documento contenuto nel numero più recente di Nature Photonics, Hu Qing, un professore di ingegneria elettrica al MIT's Research Laboratory of Electronics, ei suoi colleghi descrivono il primo metodo pratico per il laser tuning Terahertz a cascata quantica. Il metodo è un approccio radicalmente nuovo alla sintonizzazione laser che potrebbe avere implicazioni per altre tecnologie emergenti.

I raggi Terahertz: problemi e soluzioni nelle sperimentazioni dei ricercatori

"Fin dall'inizio dello sviluppo dei raggi Terahertz nel 1970,le persone hanno cercato di produrre fonti [di alta potenza] che sono compatte e modulabili, e finora, questo è davvero il primo esempio di una sorgente di questo tipo," dice Peter Siegel, che guida la Submillimeter Wave Advanced Technology Group at NASA's Jet Propulsion Laboratory at Caltech. "Qing ha molti meriti per tutto il lavoro svolto e le idee innovative ha creato e spinto nonostante un sacco di battute d'arresto e di concorrenza da parte di altri gruppi. "

Mettere a punto di un laser a semiconduttore ordinario di solito richiede la modifica della lunghezza delle sue cavità che emettono luce. Hu mette a confronto questi due approcci facendo l’esempio di quando dobbiamo cambiare l'intonazione di una corda di chitarra: possiamo premere su di essa - cambiare la sua lunghezza - o avvitare il tuning PEG - cambiare la sua tensione. Nessuno dei due approcci, tuttavia, funziona molto bene con il laser a cascata quantica Terahertz.

Un terzo modo per cambiare l'intonazione di una corda di chitarra, tuttavia, è quello di modificare il suo diametro: le corde dei bassi su una chitarra sono più spesse di quelle per le note più acute. E la tecnica messa a punto di Hu è, grosso modo, di modificare il diametro del fascio di luce.

Un fascio di luce che viaggia attraverso lo spazio può essere pensato come un'onda, ondulato su e giù a tempo indeterminato fino a quando non colpisce un oggetto fisico. Ma quando il fascio di luce stessa è limitata - in, diciamo, una fibra ottica o un lungo, sottile, laser a cascata quantica - essa presenta un modello di campo elettromagnetico, chiamato "modo trasversale". Il modo trasversale è come un altro tipo di onda che è perpendicolare alla prima, tranne che si spegne molto rapidamente - le sue ondulazioni rapidamente diventano più piccole – man mano che si arriva più lontano dal fascio di luce.

Il laser a raggi Terahertz: proprietà e limiti

La nuova tecnica messa a punto da Hu richiede un particolare tipo di laser a cascata quantica chiamato un laser a filo, in cui la lunghezza d'onda del modo trasversale è in realtà superiore alla larghezza del laser stesso. Portando un blocco di un altro materiale abbastanza vicino al laser si deforma il modo trasversale, che a sua volta cambia la lunghezza d'onda della luce emessa. Negli esperimenti, Hu ei suoi colleghi hanno trovato che un blocco di metallo ha ridotto la lunghezza d'onda della luce, mentre un blocco di silicio l’ha allungata. Variando la vicinanza dei blocchi varia anche la portata del cambiamento.

I laser a cascata quantica Terahertz hanno solo un grande svantaggio: hanno bisogno di essere raffreddati con azoto liquido a temperature molto basse. Ma i ricercatori sono fiduciosi nel fatto che riusciranno a porre rimedio al problema.

 

 

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