La radiación de Terahercios, la banda del espectro electromagnético entre las microondas y la luz visible, tiene aplicaciones prometedoras en imágenes médicas e industriales y detección química, entre otros usos.
Pero muchas de esas aplicaciones dependen de fuentes pequeñas y eficientes de rayos terahercios, y el método estándar para producirlas involucra un dispositivo de mesa voluminoso, que consume mucha energía.
Durante más de 20 años, Qing Hu, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT, y su grupo han estado trabajando en fuentes de radiación de terahercios que pueden grabarse en microchips. En el último número de Fotónica de la naturaleza , los miembros del grupo de Hu y sus colegas en Sandia National Laboratories y la Universidad de Toronto describen un diseño novedoso que aumenta la potencia de salida de los láseres de terahercios montados en chip en un 80 por ciento.
Como se informó hasta ahora de la fuente de terahercios montada en chip con mejor rendimiento, el dispositivo de los investigadores ha sido seleccionado por la NASA para proporcionar emisión de terahercios para su misión de Observatorio de Terahercios Espectroscópico ULDB Galáctico / Extragaláctico GUSTO. La misión está destinada a determinar la composicióndel medio interestelar, o la materia que llena el espacio entre las estrellas, y está usando rayos terahercios porque son especialmente adecuados para la medición espectroscópica de las concentraciones de oxígeno. Debido a que la misión desplegará globos cargados de instrumentos en la atmósfera superior de la Tierra, elEl emisor de terahercios debe ser liviano.
El diseño de los investigadores es una nueva variación en un dispositivo llamado láser de cascada cuántica con retroalimentación distribuida. "Comenzamos con esto porque era el mejor", dice Ali Khalatpour, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación yprimer autor del artículo: "Tiene el rendimiento óptimo para terahercios".
Hasta ahora, sin embargo, el dispositivo ha tenido un gran inconveniente, que es que emite radiación naturalmente en dos direcciones opuestas. Dado que la mayoría de las aplicaciones de radiación de terahercios requieren luz dirigida, eso significa que el dispositivo desperdicia la mitad de su producción de energía. Khalatpoury sus colegas encontraron una manera de redirigir el 80 por ciento de la luz que generalmente sale por la parte posterior del láser, de modo que viaje en la dirección deseada.
Como explica Khalatpour, el diseño de los investigadores no está vinculado a ningún "medio de ganancia" particular o combinación de materiales en el cuerpo del láser.
"Si obtenemos un mejor medio de ganancia, también podemos duplicar su potencia de salida", dice Khalatpour. "Aumentamos la potencia sin diseñar un nuevo medio activo, lo cual es bastante difícil. Por lo general, incluso un aumento del 10 por ciento requieremucho trabajo en todos los aspectos del diseño "
grandes olas
De hecho, la emisión bidireccional, o la emisión de luz en direcciones opuestas, es una característica común de muchos diseños de láser. Sin embargo, con los láseres convencionales, se soluciona fácilmente colocando un espejo sobre un extremo del láser.
Pero la longitud de onda de la radiación de terahercios es tan larga, y los nuevos láseres de los investigadores, conocidos como láseres de alambre fotónico, son tan pequeños que gran parte de la onda electromagnética que viaja a lo largo del láser en realidad se encuentra fuera del cuerpo del láser. Un espejoen un extremo del láser se reflejaría una pequeña fracción de la energía total de la onda.
La solución de Khalatpour y sus colegas a este problema explota una peculiaridad del diseño del pequeño láser. Un láser de cascada cuántica consiste en una larga cresta rectangular llamada guía de onda. En la guía de onda, los materiales están dispuestos de manera que la aplicación de un campo eléctrico induceuna onda electromagnética a lo largo de la guía de ondas.
Sin embargo, esta onda es lo que se llama una "onda estacionaria". Si una onda electromagnética puede considerarse como un garabato regular de arriba a abajo, entonces la onda se refleja de un lado a otro en la guía de ondas de tal manera quelas crestas y los canales de los reflejos coinciden perfectamente con los de las ondas que se mueven en la dirección opuesta. Una onda estacionaria es esencialmente inerte y no se irradiará fuera de la guía de ondas.
Entonces, el grupo de Hu corta hendiduras regularmente espaciadas en la guía de ondas, lo que permite que los rayos de terahercios se irradien. "Imagina que tienes una tubería, y haces un agujero, y el agua sale", dice Khalatpour.que las ondas que emiten se refuerzan entre sí, sus crestas coinciden, solo a lo largo del eje de la guía de ondas. A ángulos más oblicuos desde la guía de ondas, se cancelan mutuamente.
Simetría de ruptura
En el nuevo trabajo, Khalatpour y sus coautores, Hu, John Reno de Sandia y Nazir Kherani, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad de Toronto, simplemente colocaron reflectores detrás de cada uno de los agujeros en la guía de ondas, un pasoque puede incorporarse sin problemas al proceso de fabricación que produce la propia guía de ondas.
Los reflectores son más anchos que la guía de ondas, y están espaciados de modo que la radiación que reflejan reforzará la onda de terahercios en una dirección pero la cancelará en la otra. Algunas de las ondas de terahercios que se encuentran fuera de la guía de ondas aún la hacenalrededor de los reflectores, pero el 80 por ciento de la energía que habría salido de la guía de ondas en la dirección incorrecta ahora se redirige al otro lado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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