Hochleistungsfähiger, tragbarer Terahertz-Laser

Forscher haben eine leistungsstarke, tragbare Version eines Geräts namens Quantenkaskadenlaser entwickelt, das Terahertzstrahlung außerhalb einer Laborumgebung erzeugen kann. Der Laser könnte möglicherweise in Anwendungen wie der Ortung von Hautkrebs und der Erkennung versteckter Sprengstoffe eingesetzt werden.

Bisher erforderte die Erzeugung von Terahertz-Strahlung, die stark genug ist, um Echtzeit-Bildgebung und schnelle Spektralmessungen durchzuführen, Temperaturen weit unter 200 Kelvin (-100 °F) oder darunter. Diese Temperaturen konnten nur mit sperrigen Geräten erreicht werden, die den Einsatz der Technologie auf eine Laborumgebung beschränkten. Der Terahertz-Quantenkaskadenlaser kann bei Temperaturen von bis zu 250 K (-10 °F) funktionieren, sodass nur eine kompakte tragbare Kühlbox erforderlich ist.

Die nur wenige Millimeter langen Laser, die dünner als ein menschliches Haar sind, sind Quantentopfstrukturen mit sorgfältig angefertigten Wannen und Barrieren. Innerhalb der Struktur „kaskadieren“ Elektronen eine Art Treppe hinunter und emittieren bei jedem Schritt ein Lichtteilchen oder Photon.

Eine wichtige Neuerung war die Verdoppelung der Höhe der Barrieren innerhalb des Lasers, um ein Austreten der Elektronen zu verhindern, ein Phänomen, das bei hohen Temperaturen tendenziell zunimmt. Zuvor wurden sporadisch höhere Barrieren untersucht, die jedoch zu schlechteren Ergebnissen führten. Die Forscher entwickelten die richtigen Parameter für die Bandstruktur für hohe Barrieren und ein konzeptionell neuartiges Optimierungsschema für das Design.

Diese Innovation wurde mit einem direkten Phononenschema gepaart, das den Laser durch eine Konfiguration in Betrieb hält, in der niedrigere Laserniveaus jedes Moduls oder Treppenstufen der Struktur schnell von Elektronen durch Phononen (oder eine Einheit von Schwingungsenergie) entvölkert werden, die hinein gestreut werden ein Grundzustand, der dann als Injektor von Elektronen in die obere Ebene des nächsten Schritts dient, und der Prozess wiederholt sich. Eine solche Anordnung der Elektronen im System ist wesentlich für das Auftreten von Lasern.

Es gibt fast 15.000 Grenzflächen zwischen Quantentöpfen und Barrieren, von denen die Hälfte nicht einmal sieben Atomlagen dick ist. Die Qualität und Reproduzierbarkeit dieser Schnittstellen sind von entscheidender Bedeutung für die Leistung von Terahertz-Lasern.

In einem medizinischen Umfeld könnte das neue tragbare System – das eine kompakte Kamera und einen Detektor umfasst und überall mit einer Steckdose betrieben werden kann – während regelmäßiger Hautkrebs-Screenings oder sogar während chirurgischer Eingriffe zur Entfernung von Hautkrebsgewebe Echtzeit-Bildgebung liefern. Die Krebszellen zeigen sich dramatisch im Terahertz, weil sie höhere Wasser- und Blutkonzentrationen haben als normale Zellen.

Die Technologie könnte auch in vielen Branchen eingesetzt werden, in denen die Erkennung von Fremdkörpern in einem Produkt erforderlich ist, um dessen Sicherheit und Qualität zu gewährleisten. Die Detektion von Gasen, Drogen und Sprengstoffen könnte durch den Einsatz von Terahertz-Strahlung besonders anspruchsvoll werden. Verbindungen wie Hydroxid, ein Ozonzerstörer, haben einen speziellen spektralen „Fingerabdruck“ im Terahertz-Frequenzbereich, ebenso wie Drogen, einschließlich Methamphetamine und Heroin, und Sprengstoffe, einschließlich TNT.