Терагерцовый частотный диапазон, лежащий в электромагнитном спектре между микроволнами и инфракрасным светом, по-прежнему трудно использовать на практике, потому что большинство терагерцовых источников либо громоздки и неэффективны, либо используют низкотемпературные устройства для получения этих неуловимых частот с ограниченной настройкой.
Новый терагерцовый лазер команды американских ученых — это «прорывная технология для генерации терагерцового излучения», — заявил Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике Винтона Хейса в SEAS, а также один из изобретателей квантово-каскадного лазера.
«Благодаря своей компактности, эффективности, широкому диапазону настройки и работе при комнатной температуре этот лазер может стать ключевой технологией для преодоления терагерцового разрыва», — добавил изобретатель.
Еще в 2019 году группа ученых под управлением Капассо сотрудничала с Массачусетским технологическим институтом и армией США, чтобы создать прототип, который смог бы доказать, что источники терагерцовой частоты могут быть компактными, способными работать при комнатной температуре и широко настраиваемыми за счет сочетания квантовой каскадной лазерной накачки (процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера) с молекулярным лазером на оксид азота.
На этот раз вместо оксида азота команда использовала метилфторид — молекулу, которая сильно взаимодействует с оптическими полями.
«Это соединение действительно хорошо поглощает инфракрасное излучение и излучает в терагерцовом диапазоне. Используя нетоксичный метилфторид, мы увеличили эффективность и диапазон настройки лазера», — отметил Арман Амиржан, аспирант SEAS.
Метилфторид использовался в качестве материала для усиления терагерцового лазера почти 50 лет, но он, по словам старшего технолога армии США по оптическим наукам Генри Эверитта, генерировал только пару лазерных частот при накачке громоздким углекислотным лазером.
«Компактный лазерный резонатор, накачиваемый квантовым каскадным лазером, в сочетании дает метилфториду возможность генерировать сотни линий», — отметил Эверитт.
«Разница энергий, соответствующая вращательному движению молекулы, соответствует частотам в пределах терагерцового диапазона (от 50 ГГц до 2 ТГц, с дискретными линиями, примерно разнесенными на 50 ГГц для молекулы метилфторида). Разница энергий, соответствующая вибрации молекул, соответствует частотам порядка 30 ТГц: соответствует инфракрасному свету с длиной волны около 10 мм», — объяснил Поль Шевалье, научный сотрудник SEAS и ведущий исследователь группы.
Вторая концепция заключается в том, что молекула обладает большим дипольным моментом, а значит, она сильно взаимодействует со светом.
«Поэтому он способен поглощать инфракрасный свет с длиной волны около 10 мм — при многих дискретных переходах. И когда он помещен в правильно спроектированный лазерный резонатор, то излучает свет в терагерцовом диапазоне, и точная частота зависит от выбранной частоты инфракрасного излучения накачки», — добавил Шевалье.
Но ученые столкнулись и с проблемами — например, невозможностью увидеть реальный свет, исходящий от лазера.
«Это значительно усложняет оптимизацию лазера, потому что мы полагаемся на инструменты, которые могут видеть этот терагерцовый свет. У этих инструментов есть свои ограничения, и нам приходится иметь дело с ними», — пояснил Шевалье.
Лазер изобретателей является одним из самых компактных когда-либо созданных терагерцовых лазеров, но ученые они надеются еще больше уменьшить его площадь.
«Потенциально он может стать размером с обувную коробку. В частности, я думаю, что при должной оптимизации мы можем сделать сам лазер размером с куб примерно 15×15×15 см», — отметил Капассо.