لیزر مولکولی پنجره طیفی منحصر به فرد را باز می کند

خواص نفوذ عمیق تابش تراهرتز باعث می شود که استفاده در تصویربرداری صنعتی و علمی ، تجزیه و تحلیل مواد و تحقیقات پزشکی ، جذاب باشد.

منطقه طیفی تراهرتز ، که در محدوده مایکروویو و مادون قرمز قرار دارد ، یکی از مناطق امیدوار کننده طیف الکترومغناطیسی برای تحقیقات و صنعت است ، اما در حال حاضر در این مناطق کمتر استفاده می شود. هیچ تعریف جهانی برای آنچه باند تراهرتز را تشکیل می دهد وجود ندارد ، اما دامنه فرکانس 0.1 تا 10 THz (λ = 3 میلی متر تا 30 میکرومتر) بیشترین مراجعه را دارد (شکل 1). تابش تراهرتز به دلیل موقعیتی که در داخل طیف الکترومغناطیسی دارد ، دارای ویژگی های نفوذی منحصر به فردی است که آن را برای طیف سنجی و کاربردهای تصویربرداری در طیف گسترده ای از زمینه ها از جمله علوم پزشکی ، زیست شناسی ، امنیت ، نجوم ، داروسازی ، علوم مواد و فیزیک بسیار جذاب می کند.

برنامه های کاربردی برای اشعه تراهوز از القای نوسانات کوانتومی در نیمه هادی ها برای تحقیقات بنیادی فیزیک ، گرفته تا تصویربرداری زیست پزشکی غیر مخرب از بافت با استفاده از هولوگرافی تراهرتز است.

منابع تراهرتز

طیف سنجی و برنامه های تصویربرداری تراهرتز به منبع تابش تراهرتز نیاز دارند ، به استثنای نجوم ، که خود منبع نجومی منبع آن است. منابع تراهرتز را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: پالس فوق کوتاه و موج پیوسته. منابع تراهرتز با پالس فوق کوتاه پایه و اساس طیف سنجی دامنه زمانی تراهرتز (THz-TDS) است که در آن مواد با پالس های فوق کوتاه تابش تراهرتز تولید شده از طریق لیزرهای فم ثانیه بررسی می شوند. پالس فوق کوتاه منجر به پهنای باند فرکانس های تراه هرتز می شود که امکان دستیابی سریع به THz-TDS را فراهم می کند ، اما با وضوح فرکانس پایین که کاربرد آن را در کاربردهای طیف سنجی محدود می کند. برای برنامه هایی که به وضوح فرکانس بالا یا تحریک تراهرتز در یک فرکانس منفرد و کاملاً مشخص نیاز دارند ، منابع ترابرد با موج پیوسته مورد نیاز است.

طیف متنوعی از منابع تراهرتز موج پیوسته که در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس است ، شامل تولید فرکانس اختلاف ، اسیلاتورهای موج عقب ، ضریب فرکانس مایکروویو ، لیزرهای آبشار کوانتومی و لیزرهای مولکولی پمپ شده نوری است.

اسیلاتورهای موج رو به عقب و ضرایب فرکانس ، پسوند فناوری نوسان ساز از نوع مایکروویو به منطقه تراهرتز هستند. آنها می توانند قدرت بالایی را تأمین کنند ، اما در فرکانس های بالاتر از 1 THz غیر عملی می شوند. تولید فرکانس فرکانس با استفاده از دو لیزر IR که فرکانس آنها جبران می شود ، تابش تراهتز را در فرکانس اختلاف لیزر تولید می کند ، که منجر به یک منبع تراهتز بسیار تنظیم شده است ، اما دارای قدرت کم در محدوده میکرووات است. لیزرهای آبشار کوانتومی مدتهاست که به عنوان منبع تراهرتز نوید می دهند. آنها به پیشرفت خود ادامه می دهند اما در حال حاضر به خنک سازی برودتی عمیق برای عملکرد موج مداوم در منطقه تراهرتز نیاز دارند ، که بخشی از آن به دلیل پراکندگی در دمای بالا است. آنها محدود به توان در میلی وات کم و عملکرد بالای 1 THz هستند.

هر یک از این منابع برای بسیاری از کاربردهای تراهرتز ایده آل است ، اما به طور کلی ، آنها از قدرت کم یا دامنه فرکانس محدود رنج می برند. برای برنامه هایی که به قدرت بالا در فرکانس های گسسته در محدوده تراه هرتز نیاز دارند ، لیزر مولکولی تراهرتز پمپ شده نوری منبع ایده آل است.

لیزر مولکولی تراهرتز

لیزر مولکولی تراهرتز پمپ شده نوری اولین بار در سال 1970 توسط Tao-Yuan Chang و Thomas J. Bridges در آزمایشگاه های بل نشان داده شد. از آن زمان برای تحویل تابش منسجم تراهرتز با قدرت بالا ، در دامنه وسیعی از فرکانس ها ، بهینه و تصفیه شده است. لیزر اسب کار آزمایشگاه های تحقیقاتی تراهرتز در سراسر جهان است. این ماده در جامعه علمی با چندین نام شناخته می شود که متداول ترین آنها لیزر مادون قرمز دوربرد (OPFIR) است. همچنین به عنوان لیزر تراهتز پمپ شده نوری (OPTL) ، لیزر گازی تراهرتز و لیزر مولکولی تراهرتز شناخته می شود.

در لیزر مولکولی تراهرتز پمپ شده نوری ، از لیزر پمپ برای تحریک نوری بخار مولکول های قطبی به سطح انرژی بالاتر استفاده می شود که از آن با انتشار تشعشع تراهرتز ملکول ها آرام می شوند. لیزر پمپ می تواند انواع مختلفی داشته باشد که متداول ترین روش آن لیزر مادون قرمز CO2 است که خروجی آن به لیزر مولکولی تراهرتز متصل می شود. این کوپلینگ می تواند خارجی باشد ، مثلاً روی میز نوری ، لیزر پمپ و لیزر تراهرتز واحد جداگانه ای هستند ، یا داخلی که لیزرهای پمپ و تراهرتز در یک واحد قرار دارند.

اجزای اصلی و اصل عملکرد لیزر در شکل 2 نشان داده شده است. این شماتیک بر اساس لیزر مادون قرمز مادون قرمز Edinburgh Instruments (FIRL) -100 است ، جایی که پمپ CO2 و لیزر مولکولی تراهرتز در یک سیستم واحد ادغام شده اند از خروجی اشعه مادون قرمز (9 تا 11 میکرومتر یا 27 تا 33 THz) و اشعه تراهرتز (40 میکرومتر تا 1.22 میلی متر یا 0.25 تا 7 THz).