Combinación de haces de láseres terahercios de alta potencia con redes metasuperficiales semiconductoras

Luz más nítida para ver lo invisible

Las ondas terahercios se sitúan entre las microondas y la luz infrarroja, y pueden penetrar ropa, plásticos e incluso capas de pintura sin los efectos nocivos de los rayos X. Los científicos desean láseres terahercios brillantes y sintonizables para escanear químicos, drogas y biomoléculas con gran precisión, pero las fuentes compactas actuales o bien no emiten con suficiente potencia o son difíciles de sintonizar. Este artículo muestra cómo combinar los haces de varios láseres terahercios potentes en un único haz bien comportado y direccionable en un solo chip, usando estructuras diminutas y perfiladas llamadas metasuperficies.

Por qué varios haces son mejor que uno

Un único láser de cascada cuántica en terahercios ya puede ofrecer una potencia notable, pero típicamente opera en un solo color, o frecuencia, a la vez. Para aplicaciones como la espectroscopía —identificar sustancias por cómo absorben la luz— es mucho más útil disponer de un conjunto de colores estrechamente espaciados que puedan seleccionarse electrónicamente. Una estrategia es construir una matriz de muchos láseres monocromáticos y luego fusionar sus salidas de modo que, hacia el exterior, parezcan una sola fuente brillante y sintonizable. El desafío es que los haces terahercios tienden a ser desordenados y a divergir rápidamente, y las lentes y redes voluminosas que normalmente se usan para dirigir y combinar estos haces no encajan bien en el entorno reducido y frío que requieren estos láseres.

Ranuras diminutas que dirigen la luz

Los autores abordan este problema con redes de difracción hechas a medida —elementos ópticos que redirigen la luz según su color— construidas directamente sobre chips semiconductores. En lugar de las clásicas ranuras en sierra talladas en una pieza metálica voluminosa, usan una "metasuperficie": un sándwich ultrafino de metal, arseniuro de galio y franjas metálicas perfiladas que son más pequeñas que la longitud de onda terahercio. Al elegir cuidadosamente el espesor de las capas y el espaciamiento y ancho de las franjas, crean una estructura resonante que impulsa la mayor parte de la energía incidente hacia una única dirección deseada mientras suprime fuertemente la reflexión especular. Las simulaciones predijeron que estas redes podrían redirigir hasta aproximadamente un 80 por ciento de la luz incidente en una banda de frecuencias relativamente amplia centrada alrededor de 3,2 terahercios, y los experimentos confirmaron eficiencias de hasta un 70 por ciento para un único dispositivo.

Construir una orquesta láser compacta

En un chip separado, el equipo fabricó cuatro láseres terahercios de emisión superficial basados en un diseño anterior que utiliza una fila de microcavidades fuertemente acopladas para producir un único modo limpio. Al variar ligeramente el espaciado entre estas microcavidades de un láser a otro, ajustaron cada dispositivo para que emitiera en su propio color, con pasos de frecuencia de aproximadamente 14 gigahercios —lo bastante pequeños como para que, en principio, docenas de dichos láseres quepan dentro del ancho de banda natural del material activo. Cada láser producía un haz de lóbulo único con potencias pico de cientos de miliwatts antes de cualquier óptica de combinación, pero los haces salían del chip en ángulos distintos y normalmente divergerían entre sí.

Guiar muchos colores por un mismo camino

Para reunir los haces, los investigadores instalaron una lente plástica compacta y dos redes metasuperficiales idénticas una al lado de la otra sobre una placa de cobre dentro de una cámara criogénica al vacío. La lente colima primero los haces pero no los hace paralelos; sus direcciones aún difieren ligeramente porque los láseres ocupan posiciones distintas. La primera red metasuperficial desvía cada haz dependiente del color de una manera cuidadosamente elegida, y la segunda red completa la corrección de modo que, tras el par, los cuatro haces se solapan en el espacio y se propagan casi perfectamente a lo largo de la misma línea. Mediciones en campo lejano muestran que, a 35 centímetros de distancia, los puntos de los cuatro láseres se sitúan dentro de aproximadamente una décima de grado entre sí y separados por menos de un milímetro, formando un haz elíptico fuertemente colimado con una divergencia modesta.

Qué significa esto para las herramientas terahercios futuras

Aunque la potencia total que llega al detector —alrededor del 11 al 16 por ciento de lo que los láseres producen directamente— es menor que el máximo teórico, los autores identifican vías claras de mejora, principalmente ampliando las redes para que capturen el haz completo. Incluso en su forma actual, el sistema entrega de 50 a 100 miliwatts de cada láser después de la combinación, dentro de un paquete criogénico compacto e integrado. Para los no especialistas, el mensaje clave es que este trabajo muestra cómo fusionar varias “notas” terahercios brillantes en un “instrumento” sintonizable usando estructuras a escala de chip en lugar de ópticas voluminosas. Con más láseres en la matriz y redes refinadas, este enfoque podría conducir a espectrómetros terahercios prácticos del tamaño de la mano, capaces de identificar rápidamente químicos, inspeccionar materiales o sondear muestras biológicas con alta sensibilidad y sin contacto físico.

Cita: Fei Jia, Sadhvikas J. Addamane, and Sushil Kumar, "Beam combining of high-power terahertz lasers with semiconductor metasurface gratings," Optica 12, 1640-1646 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.553819

Palabras clave: láseres terahercios, redes metasuperficiales, combinación de haces, láseres de cascada cuántica, espectroscopía