Компактные лазеры покорили большую часть электромагнитного спектра, от ультрафиолетового до инфракрасного, и сделали возможными технологии цифровой коммуникации, печати, сканирования и многие другие. Но одна ключевая область спектра остается неподвластной: терагерцовый диапазон, лежащий между инфракрасным и микроволновым. Инженеры разрабатывают источник ТГц-излучения, способный проникать сквозь непрозрачные объекты и раскрывать их химический состав, но компактные терагерцовые лазеры работают только при ультранизких температурах, то есть в лабораторных условиях.
Однако теперь это в прошлом. Специалисты из США и Канады описали в журнале Nature Photonics технологию создания терагерцового лазера размером с рисовое зерно на чипе, который работает при температуре 250 К или –23 °C, в пределах холодильника размером с хоккейную шайбу, сообщает Science.
Стандартные лазеры на чипах генерируют фотоны, когда электроны попадают в электронные вакансии полупроводника, конструкция которого определяет цвет. Например, нитрид галлия излучает синий свет, арсенид галлия — красный. Однако ни один из сплавов не дает излучение в терагерцовом диапазоне.
В 1994 ученые AT&T Bell Labs создали новый тип лазера — квантово-каскадный лазер (QCL) с сотнями слоев полупроводников определенной толщины. Сначала он излучал инфракрасный свет, но в 2002 был создан терагерцовый квантово-каскадный лазер. Это устройство необходимо было охлаждать до 50 К, но в прошлом году команда под руководством Жерома Файста из Швейцарии разработала терагерцовый QCL, работавший при 210 К. Однако он требовал громоздких и дорогих криогенных установок.
Теперь команда ученых из MIT и Университета Уотерлу продемонстрировала лазер новой конструкции, который обеспечивает работу электронов при температуре достаточно низкой для того, чтобы ее можно было добиться обычными термоэлектрическими охладителями. Более того, та же технология позволит в будущем создавать терагерцовые лазеры, действующие при комнатной температуре.
Их можно будет подключать к терагерцовым детекторам, которые уже разрабатывают ученые других стран. Этот союз приведет к появлению новых технологий, позволяющих, к примеру, распознать рак кожи без биопсии или без труда проверить пассажиров авиалиний на наличие взрывчатых веществ и нелегального груза.
Не так давно австрийским ученым удалось создать рекордный источник терагерцового излучения. Он выдает различные длины волн по всему терагерцовому спектру, что открывает возможность создания коротких радиационных импульсов крайне высокой интенсивности.
