Portabler Terahertz-Laser: Hochleistungs-Quantenkaskaden-Device für medizinische Bildgebung & Sicherheit

Forscher haben eine hochleistungsfähige, portable Version eines Geräts namens Quantenkaskadenlaser entwickelt, das Terahertzstrahlung außerhalb eines Laborumfelds erzeugen kann. Der Laser könnte potenziell in Anwendungen wie der Lokalisation von Hautkrebs und der Detektion versteckter Explosivstoffe eingesetzt werden.

Bisher erforderte die Erzeugung von Terahertzstrahlung, die stark genug für Echtzeitbildgebung und schnelle Spektralmessungen ist, Temperaturen weit unter 200 Kelvin (-100 °F) oder niedriger. Diese Temperaturen konnten nur mit sperriger Ausrüstung erreicht werden, was die Nutzung der Technologie auf Laborumgebungen beschränkte. Der Terahertz-Quantenkaskadenlaser kann bei Temperaturen bis zu 250 K (-10 °F) funktionieren, was bedeutet, dass nur ein kompakter portabler Kühler erforderlich ist.

Technische Details

Die Laser, die nur wenige Millimeter lang sind und dünner als ein menschliches Haar, sind Quantenbrunnenstrukturen mit sorgfältig maßgeschneiderten Brunnen und Barrieren. Innerhalb der Struktur „kaskadieren“ Elektronen eine Art Treppe hinunter und emittieren an jedem Schritt ein Lichtteilchen (Photon).

Eine wichtige Innovation war die Verdopplung der Barrierenhöhe innerhalb des Lasers, um Leckage der Elektronen zu verhindern, ein Phänomen, das bei hohen Temperaturen tendenziell zunimmt. Zuvor wurden höhere Barrieren sporadisch untersucht, lieferten aber inferiorere Ergebnisse. Die Forscher entwickelten die korrekten Parameter für die Bandstruktur für hohe Barrieren und ein konzeptuell neuartiges Optimierungsschema für das Design.

Diese Innovation wurde mit einem direkten Phononenschema gekoppelt, das den Laserbetrieb durch eine Konfiguration aufrechterhält, in der untere Laserniveaus jedes Moduls (Stufen der Strukturtreppe) schnell durch Phononenstreuung (Einheit vibrationsenergie) in einen Grundzustand entleert werden, der dann als Injektor für Elektronen in das nächste obere Niveau dient und der Prozess sich wiederholt. Eine solche Anordnung der Elektronen im System ist essenziell für das Lasern.

Es gibt nahezu 15.000 Grenzflächen zwischen Quantenbrunnen und Barrieren, von denen die Hälfte nicht einmal sieben Atomlagen dick sind. Die Qualität und Reproduzierbarkeit dieser Grenzflächen sind von kritischer Bedeutung für die Leistung von Terahertzlasern.

Anwendungen

In einem medizinischen Umfeld könnte das neue portable System – das eine kompakte Kamera und Detektor umfasst und überall mit einer Steckdose betrieben werden kann – Echtzeitbildgebung während regulärer Hautkrebs-Screenings oder sogar während chirurgischer Eingriffe zur Exzision von Hautkrebsgewebe liefern. Krebszellen erscheinen im Terahertz dramatisch, da sie höhere Wasser- und Blutkonzentrationen als normale Zellen haben.

Die Technologie könnte auch in vielen Industrien angewendet werden, wo die Detektion fremder Objekte innerhalb eines Produkts notwendig ist, um dessen Sicherheit und Qualität zu gewährleisten. Detektion von Gasen, Drogen und Explosivstoffen könnte mit Terahertzstrahlung besonders raffiniert werden. Verbindungen wie Hydroxid, ein Ozon-Zerstörungsmittel, haben einen speziellen spektralen „Fingerabdruck“ im Terahertz-Frequenzbereich, ebenso wie Drogen einschließlich Methamphetaminen und Heroin, und Explosivstoffe einschließlich TNT.