لیزر تراهرتز فشرده برای کاربردهای روزمره

محققان گام بزرگی را در جهت خارج کردن فرکانس‌های تراهرتز از ناحیه‌ی صعب العبور طیف الکترومغناطیسی و به کاربردهای روزمره برداشته‌اند. در مقاله‌ای جدید، محققان اولین لیزر تراهرتزی در نوع خود را نشان دادند که فشرده است، در دمای اتاق کار می‌کند و می‌تواند 120 فرکانس منفرد را در محدوده 0.25 تا 1.3 تراهرتز تولید کند که برد بسیار بیشتری نسبت به منابع تراهرتز قبلی است.

لیزر می تواند در طیف وسیعی از کاربردها مانند تصویربرداری سرطان پوست و سینه، تشخیص دارو، امنیت فرودگاه و لینک های بی سیم نوری با ظرفیت فوق العاده بالا استفاده شود.

این تحقیق که توسط تیمی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد John A. Paulson (SEAS) و با همکاری آزمایشگاه تحقیقات ارتش DEVCOM و راه حل‌های نور روز DRS انجام شده است، در APL Photonics منتشر شده است.

فدریکو کاپاسو، پروفسور فیزیک کاربردی رابرت ال والاس و محقق ارشد مهندسی برق وینتون هیز در SEAS و نویسنده ارشد مقاله، گفت: «این یک فناوری جهشی برای تولید تشعشعات تراهرتز است. این لیزر به لطف فشرده بودن، کارایی، محدوده تنظیم گسترده و عملکرد دمای اتاق، این پتانسیل را دارد که به یک فناوری کلیدی برای پر کردن شکاف تراهرتز برای کاربردهای تصویربرداری، امنیت یا ارتباطات تبدیل شود.

محدوده فرکانس تراهرتز - که در وسط طیف الکترومغناطیسی بین امواج مایکروویو و نور مادون قرمز قرار دارد -؛ دسترسی به برنامه‌ها همچنان دشوار است، زیرا اغلب منابع تراهرتز یا بسیار حجیم، ناکارآمد هستند، یا برای تولید این فرکانس‌های گریزان با تنظیم محدود به دستگاه‌های با دمای پایین متکی هستند.

در سال 2019، گروه کاپاسو، با همکاری MIT و ارتش ایالات متحده، نمونه اولیه ای را توسعه دادند که ثابت کرد منابع فرکانس تراهرتز می توانند فشرده، دمای اتاق باشند و با ترکیب یک پمپ لیزری آبشاری کوانتومی با لیزر مولکولی اکسید نیتروژن، به طور گسترده ای تنظیم شوند.

تحقیقات جدید محدوده تنظیم آن نمونه اولیه را بیش از سه برابر می کند. از جمله پیشرفت‌های دیگر، لیزر جدید اکسید نیتروژن را با متیل فلوراید جایگزین می‌کند، مولکولی که به شدت با میدان‌های نوری واکنش نشان می‌دهد.

آرمان امیرژان، دانشجوی کارشناسی ارشد در SEAS و اولین نویسنده این مقاله، گفت: «این ترکیب در جذب مادون قرمز و انتشار تراهرتز واقعا خوب است. با استفاده از متیل فلوراید که غیر سمی است، راندمان و محدوده تنظیم لیزر را افزایش دادیم.

هنری اوریت، فن‌آور ارشد علوم نوری ارتش ایالات متحده، می‌گوید: «متیل فلوراید تقریباً 50 سال است که به‌عنوان لیزر تراهرتز استفاده می‌شود، اما تنها چند فرکانس لیزر تولید می‌کند که توسط لیزر دی‌اکسید کربن حجیم پمپ شود». نویسنده مقاله دو نوآوری که ما گزارش می‌کنیم، یک حفره لیزری فشرده که توسط یک لیزر آبشاری کوانتومی پمپ می‌شود، ترکیب می‌شوند تا به متیل فلوراید توانایی لیزر بر روی صدها خط را بدهد.

این لیزر در حال حاضر این پتانسیل را دارد که یکی از فشرده‌ترین لیزرهای تراهرتزی باشد که تاکنون طراحی شده است و محققان قصد دارند آن را فشرده‌تر کنند.

پل شوالیه، همکار تحقیقاتی در SEAS و محقق ارشد این حوزه می‌گوید: «دستگاه کمتر از یک فوت مکعب ما را قادر می‌سازد تا این محدوده فرکانس را برای کاربردهای بیشتر در ارتباطات کوتاه‌برد، رادار کوتاه‌برد، زیست‌پزشکی و تصویربرداری هدف‌گیری کنیم.» تیم

"ترکیب لیزرهای آبشاری بالغ، فشرده و کوانتومی با رسانه های افزایش لیزر مولکولی منجر به یک پلت فرم لیزر بسیار قوی تراهرتز با طیف وسیعی از کاربردها از تحقیقات بنیادی گرفته تا تشخیص و تصویربرداری مولکولی تراهرتز، ارتباطات و امنیت THz و فراتر از آن شده است." تیموتی دی، معاون ارشد و مدیر کل DRS Daylight Solutions و یکی از نویسندگان مقاله گفت.

فدریکو کاپاسو

فدریکو کاپاسو، دکترا، پروفسور رابرت والاس فیزیک کاربردی در دانشگاه هاروارد است که در سال 2003 پس از 27 سال در آزمایشگاه‌های بل به آن پیوست، جایی که حرفه‌اش از مقطع فوق‌دکتری به معاونت تحقیقات فیزیکی ارتقا یافت. او به اپتیک و فوتونیک، علوم نانو، علم مواد و QED کمک کرده است. او پیشگام مهندسی bandgap بود و او را به اختراع لیزر آبشار کوانتومی (QCL) سوق داد. او و گروهش تحقیقات اساسی بر روی اپتیک مسطح بر اساس متاسطحها و همچنین مطالعات بنیادی در مورد نیروی کازیمیر انجام دادند. او یکی از نویسندگان بیش از 500 نشریه و دارای 70 پتنت ایالات متحده است.

جوایزی که کاپاسو دریافت کرده است شامل مدال ایوز/جاروس کوین و جایزه رابرت وود اپتیکا، جایزه بالزان در فوتونیک کاربردی، مدال ادیسون IEEE، جایزه دیوید سارنوف IEEE، جایزه IEEE Streifer، جایزه APS Schawlow در علوم لیزر است. ، جایزه کینگ فیصل، جایزه رامفورد AAAS، ​​جایزه انریکو فرمی، جایزه انجمن فیزیکی الکترونیک کوانتومی اروپا، مدال وتریل موسسه فرانکلین، مدال MRS، جایزه چوکرالسکی برای دستاوردهای مادام العمر در علم مواد، جایزه رتبه و مدال ماتوچی

او عضو آکادمی ملی علوم، آکادمی ملی مهندسی، Academia Europaea، Accademia dei Lincei، عضو آکادمی ملی مخترعان، و عضو آکادمی علوم و هنر آمریکا (AAAS) است. او دارای دکترای افتخاری از دانشگاه لوند، دانشگاه دیدرو و دانشگاه بولونیا است. او یکی از اعضای هیئت مدیره متالنز است که یکی از بنیانگذاران آن بوده و تمرکز خود را بر عرضه فلزات و دوربین‌ها به بازار برای بازارهای با تیراژ بالا دارد. او همچنین یکی از اعضای هیئت مدیره Pendar Technologies است.

اپتیک تخت: از فلزات و دوربین ها تا نور و تاریکی ساختاریافته

فدریکو کاپاسو، دانشگاه هاروارد

متاسرفیس ها آرایه های نانوساختاری با فاصله زیر طول موج هستند که طراحی اجزای نوری فوق نازک را با کنترل انحراف برتر و سهولت تراز نوری در مقایسه با اپتیک های انکساری امکان پذیر می کنند، که منجر به کاهش عمده در پیچیدگی و ردپا و عملکردهای غیرقابل دسترس در اپتیک استاندارد می شود. اپتیک تخت منجر به یکپارچه سازی تولید نیمه هادی و ساخت لنز می شود، جایی که از فناوری مسطح برای تولید مدارهای مجتمع برای ساخت لنزهای سازگار با CMOS برای محصولات بازار با حجم بالا مانند تلفن های همراه استفاده می شود. متاسرفیس ها به اپتیک های پلاریزاسیون منجر شده اند که بر مواد دوشکست متکی نیستند و دوربین های فوق فشرده، تک شات و حساس به قطبش را به وجود آورده اند. Metasurfaces همچنین دوربین‌های جدید تشخیص عمق را با الهام از چشم عنکبوت‌های در حال پرش فعال می‌کند.

متاسرفیس ها را می توان برای انجام عملکردهای نوری متعدد و مستقل، بسته به قطبش، زاویه یا طول موج، طراحی کرد. آنها همچنین می توانند فرصت های منحصر به فردی برای طراحی جبهه های نوری به دلخواه، هم در صفحه عرضی و هم در امتداد جهت انتشار فراهم کنند. ویژگی ها و کاربردهای فراسطحی در این سخنرانی اصلی ارائه شده است. این گفتگو همچنین شامل نمایش تکینگی های فاز دوبعدی و قطبی ("تاریک ساختاری") و کاربردهایی است که اجازه خواهند داد.

جایزه فدریکو کاپاسو در سال 2021

OSA به فدریکو کاپاسو مدال Frederic Ives/جایزه Jarus W. Quinn 2021 را اهدا می کند ، که تمایز کلی در اپتیک را تشخیص می دهد. کاپاسو ، استاد فیزیک کاربردی رابرت ال والاس و پژوهشگر ارشد مهندسی برق وینتون هیز در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان آ. پاولسون در دانشگاه هاروارد ، بالاترین جایزه ای را که OSA دریافت کرده است ، دریافت می کند.

کاپاسو و تیمش در آزمایشگاههای بل ، در زمینه دستگاههای نیمه هادی و علم لیزر ، پیشگام در مهندسی ساختار باند ، که در نهایت منجر به اختراع لیزرهای کوانتومی آبشار (QCL) شد ، که به عنوان همکاری با آنها شناخته می شود ، مشارکت قابل توجهی داشتند. مخترع.

کار کنونی کاپاسو به دنبال این است که لیزر آبشار کوانتومی (که در حال حاضر در برنامه های تجاری مورد استفاده قرار می گیرد) را در زمینه وسایل الکترونیکی کوانتومی به کار گیرد. او و تیمش در دانشگاه هاروارد این رشته را به طور قابل ملاحظه ای پیش بردند و برای اولین بار متالن ها - لنزهای باریک اتمی که از نانوساختارها برای هدایت نور استفاده می کنند را نشان دادند.

کاپاسو دارای بیش از 60 ثبت اختراع در ایالات متحده است ، بیش از 450 مقاله تألیف کرده است و برنده جوایزی از جمله مدال طلای SPIE ، مدال IEEE ادیسون ، جایزه بالزان و جایزه آرتور شائلو از طرف انجمن فیزیک آمریکا است. او در حال حاضر به عنوان عضو هیئت مشورتی ویرایشگر Photonics Spectra خدمت می کند.

جوایز و مدال های OSA 2021

جوایز و مدال های OSA 2021

OSA مفتخر است که از مشارکت های برجسته در علم ، تحقیق ، مهندسی ، آموزش ، صنعت و جامعه تجلیل و تجلیل می کند.

فدریکو کاپاسو

فدریکو کاپاسو استاد فیزیک کاربردی رابرت ال والاس در دانشگاه هاروارد است ، که در سال 2003 پس از 26 سال فعالیت در آزمایشگاه های بل به آنجا پیوست ، جایی که از پست فوق به عنوان معاون تحقیقات فیزیکی رئیس جمهور ارتقا یافت. 

مرزها در اپتیک و فوتونیک

فدریکو کاپاسو

لیزر ، اپتیک و فوتونیک (GSELOP2021)

فدریکو کاپاسو