Laser térahertz portable : dispositif à cascade quantique haute puissance pour imagerie médicale et sécurité

Des chercheurs ont développé une version portable haute puissance d'un dispositif 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 comme le repérage de cancer de la peau et la détection d'explosifs cachés.

Jusqu'ici, la génération de rayonnement térahertz assez puissant pour l'imagerie temps réel et les mesures spectrales rapides nécessitait des températures bien en dessous de 200 kelvin (-100 °F) ou moins. Ces températures ne pouvaient être atteintes qu'avec des équipements encombrants limitant l'utilisation de la technologie au laboratoire. Le laser à cascade quantique térahertz peut fonctionner à des températures jusqu'à 250 K (-10 °F), ce qui signifie qu'un refroidisseur portable compact suffit.

Innovations : barrières doublées et schéma phonon direct

Les lasers, qui ne mesurent que quelques millimètres de long et sont plus fins qu'un cheveu, sont des structures à puits quantiques avec des puits et barrières méticuleusement conçus sur mesure. Dans la structure, les électrons « cascadent » dans une sorte d'escalier, émettant une particule de lumière, ou photon, à chaque étape.

Une innovation importante a été le doublement de la hauteur des barrières dans le laser pour prévenir la fuite des électrons, un phénomène qui tendait à augmenter aux hautes températures. Auparavant, des barrières plus hautes étaient explorées sporadiquement mais donnaient des résultats inférieurs. Les chercheurs ont développé les paramètres corrects pour la structure de bandes pour barrières hautes et un schéma d'optimisation conceptuellement nouveau pour la conception.

Cette innovation a été couplée avec un schéma phonon direct qui maintient le laser en fonctionnement par une configuration où les niveaux de lasing inférieurs de chaque module, ou étapes de l'escalier de la structure, sont rapidement dépourvus d'électrons par diffusion phonon (unité d'énergie vibratoire) vers un état fondamental, qui sert alors d'injecteur d'électrons dans le niveau supérieur de l'étape suivante et le processus se répète. Un tel arrangement des électrons dans le système est essentiel pour que le lasing se produise.

Il y a près de 15 000 interfaces entre puits quantiques et barrières, dont la moitié ne font même pas sept couches atomiques d'épaisseur. La qualité et la reproductibilité de ces interfaces sont d'importance critique pour la performance des lasers térahertz.

Applications médicales et industrielles

En milieu médical, le nouveau système portable — qui inclut une caméra et détecteur compacts et peut fonctionner n'importe où avec une prise électrique — pourrait fournir une imagerie temps réel pendant les dépistages réguliers de cancer de la peau ou même pendant les procédures chirurgicales pour exciser les tissus cancéreux. Les cellules cancéreuses apparaissent dramatiquement en térahertz car elles ont des concentrations d'eau et de sang plus élevées que les cellules normales.

La technologie pourrait aussi s'appliquer dans de nombreuses industries où la détection d'objets étrangers dans un produit est nécessaire pour assurer sa sécurité et qualité. La détection de gaz, drogues et explosifs pourrait devenir particulièrement sophistiquée avec l'utilisation du rayonnement térahertz. Des composés comme l'hydroxyde, agent de destruction d'ozone, ont une « empreinte spectrale » spéciale dans la gamme de fréquences térahertz, tout comme les drogues incluant méthamphétamines et héroïne, et les explosifs incluant TNT.