Výzkumníci vyvíjejí přenosné terahertzové lasery pro zobrazování s vysokou citlivostí

Obraz skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) vadného zařízení s kvantovým kaskádovým laserem (QCL). Půjčka S pozdravem, vědci

Přístroj může přinést výkonné screeningové a zobrazovací schopnosti z laboratoře do nemocnic, na letiště nebo na jiné stanice.

Výzkumní pracovníci na adrese: S: a University of Waterloo Vyvinuli vysoce energetickou přenosnou verzi zařízení zvaného kvantový kaskádový laser, který může generovat terahertzové záření mimo laboratoř. Lasery lze použít v aplikacích, jako je screening rakoviny kůže a detekce skrytých výbušnin.

Dosud byla generace terahertzového záření dostatečně silná pro zobrazování v reálném čase – rychlá spektrální měření vyžadující teploty pod 200 kelvinů (-100 stupňů). Fahrenheita) nebo nižší. Této teploty bylo možné dosáhnout pouze pomocí velkého zařízení, které omezovalo použití technologie v laboratoři. 2020 V díle publikovaném 2. listopadu: Fotonika přírodyMing Huin, docent elektrotechniky a výpočetní techniky na MIT, říká, že jejich terciární kvantové kaskádové lasery mohou pracovat při teplotách až 250 K (-10 F), což znamená, že je vyžadováno pouze kompaktní přenosné chladicí zařízení.

Přenosný terahertzový laser

Na fotografii vpravo můžete vidět malý laserový čip s termoelektrickým chladičem v bloku vedle šálku na kávu. Pozadí je skvělý kryochladič. Vlevo vidíte malý terahertzový QCL. Půjčka S pozdravem, vědci

Terahertzové kvantové kaskádové lasery, polovodičové lasery s malými čipy, byly poprvé vynalezeny v roce 2002, ale jejich přizpůsobení pro provoz nad 200 K bylo tak obtížné, že mnozí v tomto odvětví předpokládali, že mu brání základní fyzická příčina. Říká Hu.

„Při vysokých provozních teplotách to můžeme konečně dát do kompaktního přenosného systému a vynést tuto pokročilou technologii z laboratoře,“ říká Hun. „To umožní přenosné zobrazovací systémy terahertz, které budou mít přímý dopad na širokou škálu aplikací v medicíně, biochemii, bezpečnosti a dalších oborech.“

Hu začal studovat terahertzové frekvence, skupinu elektromagnetických spekter v mikrovlnném infračerveném rozsahu, již v roce 1991.

„Trvalo mi 11 let, tři generace studentů, než jsem připravil vlastní [terahertz quantum cascade laser] V roce 2002, “říká. Od té doby zůstala maximální provozní teplota, která omezovala použití terahertzového záření, pod pokojovou teplotou. Maximum 250 K uvedené v tomto dokumentu je významným skokem z předchozího maxima 210 K, které bylo stanoveno v roce 2019, a překonalo tak předchozí rekord z let 2012 – 200 K, který byl nedotčený po dobu 7 let.

Lasery, které jsou dlouhé jen několik milimetrů, jsou tenčí než lidské vlasy, jsou strukturami kvantových jamek s pečlivě uspořádanými jamkami nebo bariérami. Elektrony ve struktuře „kaskádovitě“ sestupují po jakémsi žebříku a při každém kroku emitují světelnou částici nebo foton.

Důležitá inovace popsaná v S. Fotonika přírody Papír zdvojnásobil výšku bariér uvnitř laseru, aby se zabránilo úniku elektronů, což je jev, který má tendenci prudce stoupat při teplotě.

„Uvědomili jsme si, že unikající elektrony bez bariéry jsou zabijákem, což by mohlo vést k selhání systému, pokud není chlazeno kryostatem.“ „Takže stavíme vyšší bariéru, abychom zabránili úniku, což se ukázalo jako zásadní pro průlom.“

V minulosti byly občas zkoumány vyšší bariéry, ale byly méně účinné, řekl Hu. Převládal názor, že zvyšování rozptylu elektronů v důsledku větších bariér je škodlivé, proto je třeba se vyvarovat vyšších bariér.

Výzkumný tým vyvinul správné parametry konstrukce pásu pro vysoké ploty – nové koncepční schéma optimalizace návrhu.

Tato inovace je kombinována s „schématem přímého fononu“, které zachovává laser prostřednictvím konfigurace, ve které je nízká úroveň každého modulu nebo kroky žebříku struktury rychle přemístěna elektronovým fononem (nebo jednotkou vibrační energie). disperguje v základním stavu, který pak slouží jako elektronový injektor na začátek dalšího kroku, proces se opakuje. Takové uspořádání elektronů v systému je možné pro tvorbu laserů, jak si Albert Einstein poprvé představil v roce 1916.

„Jedná se o velmi složité struktury s přibližně 15 000 rozhraními mezi kvantovými jamkami, z nichž polovina není silná ani sedm vrstev,“ řekl spoluautor Big Vasilski, profesor elektrotechniky a výpočetní techniky s titulem z University of Waterloo v Nanotechnology. „Kvalita a reprodukovatelnost těchto rozhraní jsou pro provoz terahertzových laserů zásadní. Potřebovali jsme to nejlepší z epitaxního růstového potenciálu molekulárních paprsků, silný příspěvek našeho výzkumného týmu, zkušenosti našich partnerů MIT, spolu s návrhem a vývojem kvantových zařízení, abychom dosáhli tak významného pokroku v této obtížné části fotoniky THz. “

V lékařském prostředí může nový přenosný systém, který zahrnuje kompaktní fotoaparát և detektor operate pracovat kdekoli s elektrickým výkonem, poskytnout v reálném čase vhled do pravidelných vyšetření rakoviny kůže nebo dokonce chirurgických zákroků k řezání tkáně rakoviny kůže. Rakovinné buňky vypadají „velmi ostře“, protože mají vyšší koncentraci vody a krve než normální buňky.

Tuto technologii lze také použít v mnoha průmyslových odvětvích, kde je pro zajištění jeho bezpečnosti a kvality nezbytná detekce cizích předmětů uvnitř produktu.

Detekce plynů, drog a výbušnin bude obzvláště obtížná při použití záření nízkého záření. Například sloučeniny, jako je hydroxid, látka poškozující ozonovou vrstvu, mají specifické spektrální “otisky prstů” ve frekvenci slzného plynu, jako jsou léky, jako je metamfetamin, heroin a výbušniny, včetně TNT.

„Nejen, že můžeme vidět objekty prostřednictvím opticky neprůhledných materiálů, ale také můžeme materiály identifikovat,“ říká Hu.

Benjamin Williams, profesor na katedře elektrotechniky a výpočetní techniky na Kalifornské univerzitě v Los Angeles, říká, že nový výzkum připravuje půdu pro další pokrok. „Práce MIT / Waterloo je důležitá, protože prokázaly teplotu 250 K. „I když to není při pokojové teplotě, tento výsledek ukazuje, že existuje skutečný potenciál pro další zlepšení,“ řekl Williams. „Jinými slovy, hra stále pokračuje u všech skupin pracujících v této oblasti.“

Hu říká, že vidí „jasnou cestu“ k cíli, kterým je schopnost vytvářet výkonné hostitele bez potřeby chladiče.

„Použití jednoduchého schématu fonémů – vyšší bariéry jsou cestou vpřed,“ říká. „Když dosáhneme pokojové teploty, konečně vidím světlo na konci tunelu.“

Odkaz. Ali Khalatpour, Andrew K. Paulsen, Chris Dimert, velký B Vasilyevsky’s Hui „High-energy mobile terahertz laser systems“, 2020 2. listopadu Fotonika přírody,
DOI: 10.1038 / s41566-020-00707-5:

Tento výzkum byl financován NASA բնական Kanadské přírodní vědy արտար Rada technického výzkumu.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Paleontologové řeší 150 let starou záhadu – a objevují novou skupinu hmyzu

Křídlo nového druhu Okanagrion hobani z fosilního naleziště McAbee v Britské Kolumbii je samoobslužným hmyzem nového podřádu Cephalozygoptera. Kredit: Copyright Zootaxa, použitý v...

„Houboví duchové“ chrání pokožku, látku před toxiny a zářením

Houboví duchové vznikají extrakcí biologického materiálu z buněk hub. Uznání: Nathan Gianneschi lab / Northwestern University Inspirován houbou, novou formou syntetického melaninu, který působí...

Vezmeme 2D materiály pro rotaci

Ilustrace konceptu výpočetní techniky Spintronic. Vědci z Ústavu fyziky vysokého tlaku na univerzitě v Tskubě vyvíjejí nový tranzistor disulfidu molybdenu, který vytváří obraz rotace elektronů,...

Dva astronauti. Dva dny otevřených dveří. Dvě nádherné krajiny.

23. května 2012 Dva astronauti. Otevřeno dva dny. Dva úžasné výhledy na střechu světa. Astronauti z Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) pořídili tyto fotografie Himálaje,...

Mars, P Plejády, Jupiter, Saturn a další vrcholy vzdušného dozoru v březnu 2021

Co se děje v březnu? Mars S přáteli v noci je pár skvělých planet zpět ... V prvním nebo tak nějakém březnovém týdnu uvidíte Mars...

Newsletter

Subscribe to stay updated.