고출력, 휴대용 테라헤르츠 레이저

연구원들은 실험실 환경 밖에서 테라헤르츠 방사선을 생성할 수 있는 양자 캐스케이드 레이저라고 하는 장치의 고출력 휴대용 버전을 개발했습니다. 레이저는 피부암을 정확히 찾아내고 숨겨진 폭발물을 감지하는 것과 같은 응용 분야에 잠재적으로 사용될 수 있습니다.

지금까지 실시간 이미징과 빠른 스펙트럼 측정을 수행할 수 있을 만큼 강력한 테라헤르츠 복사를 생성하려면 200켈빈(-100°F) 이하의 온도가 필요했습니다. 이러한 온도는 기술의 사용을 실험실 설정으로 제한하는 부피가 큰 장비에서만 달성할 수 있습니다. 테라헤르츠 양자 캐스케이드 레이저는 최대 250K(-10°F)의 온도에서 작동할 수 있으므로 소형 휴대용 냉각기만 필요합니다.

길이가 몇 밀리미터에 불과하고 사람의 머리카락보다 얇은 레이저는 세심하게 맞춤형으로 설계된 우물과 장벽이 있는 양자 우물 구조입니다. 구조 내에서 전자는 일종의 계단 아래로 "캐스케이드"되어 각 단계에서 가벼운 입자 또는 광자를 방출합니다.

한 가지 중요한 혁신은 고온에서 증가하는 경향이 있는 현상인 전자 누출을 방지하기 위해 레이저 내 장벽 높이를 두 배로 늘린 것입니다. 이전에는 더 높은 장벽을 산발적으로 탐색했지만 열등한 결과를 얻었습니다. 연구원들은 높은 장벽을 위한 밴드 구조에 대한 올바른 매개변수와 설계를 위한 개념적으로 새로운 최적화 계획을 개발했습니다.

이 혁신은 각 모듈의 더 낮은 레이저 레벨 또는 구조의 계단 단계가 포논(또는 진동 에너지 단위) 산란을 통해 빠르게 전자를 제거하는 구성을 통해 레이저 작동을 유지하는 직접 포논 방식과 짝을 이루었습니다. 바닥 상태는 다음 단계의 상위 레벨로 전자를 주입하는 역할을 하고 프로세스가 반복됩니다. 시스템에서 이러한 전자 배열은 레이저가 발생하는 데 필수적입니다.

양자 우물과 장벽 사이에는 거의 15,000개에 가까운 계면이 있으며 그 중 절반은 7개의 원자층 두께도 되지 않습니다. 이러한 인터페이스의 품질과 재현성은 테라헤르츠 레이저의 성능에 매우 중요합니다.

의료 환경에서 소형 카메라와 감지기를 포함하고 전기 콘센트가 있는 곳이면 어디에서나 작동할 수 있는 새로운 휴대용 시스템은 정기적인 피부암 검진이나 피부암 조직을 절제하는 수술 중에도 실시간 영상을 제공할 수 있습니다. 암세포는 정상 세포보다 수분과 혈액 농도가 더 높기 때문에 테라헤르츠 단위로 극적으로 나타납니다.

이 기술은 또한 제품의 안전과 품질을 보장하기 위해 제품 내의 이물질 감지가 필요한 많은 산업 분야에 적용될 수 있습니다. 가스, 약물 및 폭발물의 탐지는 테라헤르츠 방사선의 사용으로 특히 정교해질 수 있습니다. 오존 파괴제인 수산화물과 같은 화합물은 메스암페타민과 헤로인을 포함한 약물, TNT를 포함한 폭발물과 마찬가지로 테라헤르츠 주파수 범위 내에서 특별한 스펙트럼 "지문"을 가지고 있습니다.