لیزر تراهرتز برای سنجش و تصویربرداری

این لیزر کوچک تراهرتز برای اولین بار است که به طور همزمان به سه هدف اصلی عملکرد می رسد: قدرت بالا ، پرتوی محکم و تنظیم فرکانس گسترده.

لیزر تراهرتز که توسط محققان MIT طراحی شده است ، اولین کسی است که به طور همزمان به سه هدف کلیدی عملکرد رسیده است - قدرت ثابت بالا ، الگوی پرتو محکم و تنظیم فرکانس پهنای برقی - و بنابراین می تواند برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی در سنجش و تصویربرداری شیمیایی ارزشمند باشد. لیزر بهینه سازی شده می تواند برای شناسایی عناصر بین ستاره ای در یک ماموریت آینده ناسا که هدف آن کسب اطلاعات بیشتر در مورد منشاء کهکشان ماست ، استفاده شود. در اینجا ، از لیزر سیم فوتونی با قدرت بالا نیز می توان برای بهبود تصویربرداری از سرطان پوست و پستان ، تشخیص مواد مخدر و مواد منفجره و موارد دیگر استفاده کرد.

طراحی جدید این لیزر چندین لیزر سیم مبتنی بر نیمه هادی و کارآمد دارد و آنها را مجبور به همگام سازی نوسانات می کند. ترکیبی از خروجی جفت ها در امتداد آرایه ، یک پرتو منفرد با قدرت بالا با حداقل فاصله پرتو تولید می کند. تنظیمات مربوط به لیزرهای جداگانه اجازه تنظیم تنظیم فرکانس گسترده را برای بهبود وضوح و وفاداری در اندازه گیری ها می دهد. محققان می گویند ، دستیابی به هر سه معیار عملکردی به معنای نویز کمتر و وضوح بالاتر برای شناسایی شیمیایی قابل اعتماد و مقرون به صرفه تر است. وی گفت: "مردم تنظیم لیزر فرکانس را در لیزر انجام داده اند ، یا لیزری با کیفیت پرتوی بالا یا قدرت موج مداوم بالا ساخته اند. اما هر طراحی از دو عامل دیگر فاقد است. »می گوید: علی خلعت پور ، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و علوم کامپیوتر. "این اولین بار است که ما در لیزرهای تراهرتز مبتنی بر تراشه به هر سه اندازه گیری همزمان رسیده ایم. این مانند یک حلقه است که باید بر همه آنها حکومت کند ، "" خلط پور می افزاید.

سال گذشته ، ناسا رصدخانه طیف سنجی Terahertz TACHERT (Galustic / Extragalactic ULDB) ULDB (GUSTO) را اعلام کرد ، مأموریتی برای سال 2021 برای ارسال یک تلسکوپ مستقر در بالون با ارتفاع بالایی که دارای لیزرهای سیم فوتونی برای تشخیص اکسیژن ، کربن و نیتروژن از "محیط میان ستاره ای" است. ماده کیهانی بین ستاره ها. داده های گسترده جمع آوری شده در طی چند ماه ، بینشی در مورد تولد و تکامل ستاره ها ، و کمک به نقشه بیشتر در مورد کهکشان راه شیری و کهکشان های بزرگ ماژلانی ابر در این نزدیکی دارند. برای مؤلفه ای از آشکارسازهای شیمیایی GUSTO ، ناسا یک لیزر تراهرتز مبتنی بر نیمه هادی رمان را که قبلاً توسط محققان MIT طراحی شده بود ، انتخاب کرد. در حال حاضر بهترین عملکرد لیزر تراهرتز است. چنین لیزرهایی منحصر به فرد برای اندازه گیری طیف سنجی غلظت اکسیژن در پرتوهای تراهرتز ، باند طیف الکترومغناطیسی بین مایکروویوها و نور مرئی مناسب هستند.

لیزرهای Terahertz می توانند اشعه منسجم را به داخل مواد ارسال کنند تا اثر انگشت طیفی مواد را استخراج کنند. مواد مختلف تابش توراهرتز را به درجات مختلف جذب می کنند ، بدین معنی که هر کدام اثر انگشت منحصر به فردی دارند که به عنوان یک خط طیفی ظاهر می شوند. این امر به ویژه در محدوده 1-5 تراهرتز با ارزش است: برای مثال ، درمورد شناسایی مواد مخدر ، امضای هروئین در حدود 1.42 و 3.94 تراهرتز دیده می شود ، و کوکائین در حدود 1.54 تراهرتز است. سالهاست ، آزمایشگاه هو در حال تولید انواع جدیدی از لیزرهای کوانتومی آبشار ، لیزرهای سیم فوتونی است. مانند بسیاری از لیزرها ، اینها دو طرفه هستند ، به این معنی که آنها در جهتهای مخالف ساطع می شوند و همین امر باعث می شود آنها قدرت کمتری داشته باشند. در لیزرهای سنتی ، این مسئله با آینه هایی که با دقت قرار گرفته اند در بدن لیزر به راحتی حل می شود. رفع این مشکل در لیزرهای تراهرتز بسیار دشوار است ، زیرا اشعه تراهرتز بسیار طولانی است و لیزر آنقدر کوچک است ، که بیشتر نور به خارج از بدن لیزر سفر می کند.

در لیزر انتخاب شده برای GUSTO ، محققان طراحی جدیدی را برای موجبرهای لیزر سیم - که کنترل نحوه حرکت موج الکترومغناطیسی در طول لیزر را کنترل می کند - تهیه کرده اند تا بصورت یک طرفه ساطع شوند. این کارآیی و کیفیت پرتوی بالا را به دست آورد ، اما اجازه تنظیم تنظیم فرکانس را ند که NASA لازم داشت. خلعتپور با تکیه بر طرح قبلی خود ، از یک منبع غیرممکن استفاده کرد: شیمی آلی. خلعتپور ضمن گذراندن یک کلاس کارشناسی در MIT ، زنجیره ای پلیمری طولانی را با اتم هایی که در دو طرف آن قرار داشتند ، یادداشت برد. آنها پیوند پیوند داشتند ، به این معنی که مدارهای مولکولی آنها با هم همپوشانی دارند تا پیوند پایدارتر شود. محققان مفهوم پیوند پیوندی را با لیزرهای خود به کار بردند ، جایی که آنها اتصالات نزدیکی بین لیزرهای سیم غیرمستقیم مستقل در طول آرایه ایجاد کردند. این طرح اتصال جدید امکان قفل فاز دو یا چند لیزر سیم را فراهم می کند.

برای دستیابی به تنظیم فرکانس ، محققان برای تغییر جریان هر لیزر سیم از دستگیره های ریز استفاده می کنند که اندکی ضریب شکست را تغییر می دهد. این تغییر ضریب شکست ، وقتی روی لیزرهای جفت شده اعمال می شود ، یک تغییر فرکانس مداوم به فرکانس مرکز جفت ایجاد می کند. محققان برای آزمایش ، آرایشی از 10 لیزر سیم پیوندی ساختند. این لیزر با تنظیم فرکانس مداوم در دهانه ای در حدود 10 گیگا هرتز و توان تولیدی تقریبا 50 تا 90 میلی ولت ، بسته به تعداد جفت های لیزر پی - پی همراه در آرایه کار می کند. پرتو دارای فاصله واضح پرتوی 10 درجه است ، این معیار اندازه گیری میزان پرتو از تمرکز آن نسبت به فاصله است