گسترش طیف فرکانسی لیزرهای تراهرتز

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان؛ پژوهشگران هاراود و نیروی زمینی آمریکا به تازگی نوع جدیدی از منبع لیزری را توسعه داده‌اند که ادعا می‌شود تحولی در فناوری‌های شناسایی، امنیت و درمانی به وجود می‌آورد.

محدود فرکانسی تراهرتز-که در طیف الکترومغناطیسی میان مایکرویو و نور مادون قرمز قرار می‌گیرد- امکان ارائه ارتباطات با پهنای باند بالا، تصویربرداری باکیفیت بسیار بالا، سنجش دقیق دوربرد برای اجرام فضایی و بسیاری موارد دیگر را فراهم می‌آورد.

با وجود همه مزایای یاد شده، طیف فرکانسی یاد شده، توسط بسیاری از ابزارها و برنامه غیرقابل دسترس است؛ زیرا منابع فعلی امواج تراهرتز حجیم، ناکارآمد و دارای محدودیت در جابه جایی میان طیف‌های مختلف هستند. همچنین بسیاری از نمونه‌های عملیاتی آن در دماهای پایین عمل می‌کنند.

پژوهشگران دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان پاولسون دانشگاه هاروارد (SEAS) در همکاری با دانشگاه MIT و نیروی زمینی آمریکا لیزر تراهرتزی توسعه داده‌اند که امکان استفاده از آن در دمای اتاق وجود دارد. به علاوه می‌تواند به صورت گسترده آن را برای کاربردهای مختلف تنظیم کرد.

لیزر یاد شده را می‌توان در زمینه‌های مختلف بسیاری به کار برد. برای مثال می‌توان به بهبود تصویربرداری از غده‌های سرطانی، تشخیص مواد مخدر، امنیت فرودگاه‌ها و پیوندهای بدون سیم نوری با ظرفیت بسیار بالا اشاره کرد.

فدیریکو کاپاسو (Federico Capasso)، استاد فیزیک کاربردی در دانشکده جان پاولسون هاروارد گفت:

لیزر یاد شده عملکردی بهتر از هرگونه منبع لیزری موجود در طیف فرکانسی مذکور دارد. این مسئله برای اولین بار امکان استفاده گسترده از آن در زمینه‌های مختلف را فراهم می‌کند.

در حالی که بیشتر منابع الکتریکی یا نوری تراهرتز از سامانه‌های بزرگ، پیچیده و ناکارآمد برای تولید فرکانس‌های ناپایدار با دامنه تنظیم محدود بهره می‌گرفتند، محققان یاد شده رویکردی متفاوت را در پیش گرفتند.

در فیزیک کوانتوم، اتم‌های برانگیخته یا مولکول‌ها در سطوح مختلفی از انرژی قرار می‌گیرند که می‌توان آن‌ها را به عنوان طبقات مختلف یک ساختمان در نظر گرفت. در لیزرهای گازی معمولی، تعداد زیادی از مولکول‌ها در میان دو آینه به دام افتاده و سطح انرژی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند؛ به عبارت دیگر به طبقات بالایی می‌روند. سپس زمانی که به سطح بالاتر می‌رسند، انرژی خود را از دست داده و یک فوتون آزاد می‌کنند. حرکت این فوتون‌ها باعث فروپاشی تعداد بیشتری از مولکول‌ها شده و به انتشار نور می‌انجامد. به منظور تغییر فرکانس انتشار فوتون‌ها، باید سطح انرژی مولکول‌های برانگیخته شده را تغییر داد.

یکی از روش‌های تغییر سطح انرژی، استفاده از نور است. از این کار به عنوان پمپاژ نور (optical pumping) یاد می‌شود. نور به مانند یک آسانسور کوانتومی، مولکول‌ها را به سطوح بالاتر انرژی هدایت می‌کند. در گذشته لیزرهای مولکولی تراهرنز از این روش استفاده می‌کردند؛ اما به تعداد کمی از فرکانس‌ها محدود بودند.

پژوهشگران برای رفع مشکل بالا از لیزر آبشار کوانتومی (quantum-cascade laser) بهره گرفتند. این لیزر قدرتمند و قابل‌حمل به طور کارآمدی امکان دستیابی به همه‌ی فرکانس‌ها را فراهم می‌کند. در این تحقیقات لیز آبشار کوانتومی با نوری ترکیب شده است.

پژوهشگران توضیح دادند به کمک روش بالا آن‌ها موفق به دستیابی به فرکانس‌هایی نزدیک به یک هرتز شده‌اند.

کاپاسو توضیح داد:

مردم در گذشته نحوه‌ی تولید لیزرهای تراهرتز را می‌دانستند؛ اما توانایی تولید نمونه پهن باند را نداشتند؛ اما همکاری یاد شده باعث شد تا بتوانیم از ابزاری مانند لیزر آبشار کوانتومی بهره ببریم.