Laser térahertz portable haute puissance

Les chercheurs ont développé une version portable à haute puissance d'un appareil appelé laser à cascade quantique qui peut générer un rayonnement térahertz en dehors d'un laboratoire. Le laser pourrait potentiellement être utilisé dans des applications telles que la localisation du cancer de la peau et la détection d'explosifs cachés.

Jusqu'à présent, la génération d'un rayonnement térahertz suffisamment puissant pour effectuer une imagerie en temps réel et des mesures spectrales rapides nécessitait des températures bien inférieures à 200 kelvin (-100 ° F) ou moins. Ces températures ne pouvaient être atteintes qu'avec un équipement volumineux qui limitait l'utilisation de la technologie à un environnement de laboratoire. Le laser à cascade quantique térahertz peut fonctionner à des températures allant jusqu'à 250 K (-10 °F), ce qui signifie que seul un refroidisseur portable compact est nécessaire.

Les lasers, qui ne mesurent que quelques millimètres de long et sont plus fins qu'un cheveu humain, sont des structures à puits quantiques avec des puits et des barrières méticuleusement conçus sur mesure. Au sein de la structure, les électrons "cascadent" le long d'une sorte d'escalier, émettant une particule lumineuse, ou photon, à chaque marche.

Une innovation importante a été le doublement de la hauteur des barrières à l'intérieur du laser pour empêcher la fuite des électrons, un phénomène qui avait tendance à augmenter à des températures élevées. Auparavant, des barrières plus élevées étaient explorées sporadiquement, mais elles donnaient des résultats inférieurs. Les chercheurs ont développé les paramètres corrects pour la structure de bande pour les barrières hautes et un schéma d'optimisation conceptuellement nouveau pour la conception.

Cette innovation a été associée à un schéma de phonons directs qui maintient le fonctionnement du laser dans une configuration dans laquelle les niveaux de laser inférieurs de chaque module, ou marches de l'escalier de la structure, sont rapidement dépeuplés d'électrons par la diffusion de phonons (ou d'une unité d'énergie vibratoire) dans un état fondamental, qui sert alors d'injecteur d'électrons dans le niveau supérieur de l'étape suivante et le processus se répète. Une telle disposition des électrons dans le système est essentielle pour que le laser se produise.

Il existe près de 15 000 interfaces entre les puits quantiques et les barrières, dont la moitié n'ont même pas sept couches atomiques d'épaisseur. La qualité et la reproductibilité de ces interfaces sont d'une importance cruciale pour les performances des lasers térahertz.

Dans un contexte médical, le nouveau système portable - qui comprend une caméra compacte et un détecteur et peut fonctionner n'importe où avec une prise électrique - pourrait fournir une imagerie en temps réel lors de dépistages réguliers du cancer de la peau ou même lors d'interventions chirurgicales pour exciser les tissus cancéreux de la peau. Les cellules cancéreuses apparaissent de manière spectaculaire en térahertz car elles ont des concentrations d'eau et de sang plus élevées que les cellules normales.

La technologie pourrait également être appliquée dans de nombreuses industries où la détection de corps étrangers dans un produit est nécessaire pour assurer sa sécurité et sa qualité. La détection de gaz, de drogues et d'explosifs pourrait devenir particulièrement sophistiquée avec l'utilisation du rayonnement térahertz. Des composés tels que l'hydroxyde, un agent de destruction de la couche d'ozone, ont une "empreinte" spectrale spéciale dans la gamme de fréquences térahertz, tout comme les drogues telles que les méthamphétamines et l'héroïne, et les explosifs tels que le TNT.