Combinazione di fasci di laser terahertz ad alta potenza con reticoli a metasuperfice su semiconduttore

Luce più nitida per vedere l’invisibile

Le onde terahertz si collocano tra le microonde e l’infrarosso e possono penetrare abiti, plastiche e persino strati di vernice senza gli effetti dannosi dei raggi X. Gli scienziati desiderano laser terahertz brillanti e sintonizzabili per analizzare con grande precisione sostanze chimiche, farmaci e biomolecole, ma le sorgenti compatte attuali o non sono sufficientemente intense o risultano difficili da sintonizzare. Questo articolo mostra come fondere i fasci di diversi potenti laser terahertz su un singolo chip in un unico fascio ben definito e direzionabile, utilizzando piccole strutture a pattern chiamate metasuperfici.

Perché molti fasci valgono più di uno

Un singolo laser a cascata quantica terahertz può già fornire potenza notevole, ma normalmente opera su una sola “colore”, o frequenza, alla volta. Per applicazioni come la spettroscopia — identificare sostanze in base a come assorbono la luce — è molto più utile disporre di una serie di colori ravvicinati selezionabili elettronicamente. Una strategia è costruire un array di molti laser monocolore e poi fondere le loro uscite in modo che, dall’esterno, appaiano come una singola sorgente brillante e sintonizzabile. La sfida è che i fasci terahertz tendono a essere disordinati e a divergere rapidamente, e le lenti e i reticoli ingombranti normalmente usati per direzionarli e combinarli non sono adatti all’interno dell’ambiente ristretto e freddo di cui questi laser hanno bisogno.

Piccole scanalature che guidano la luce

Gli autori affrontano questo problema con reticoli di diffrazione realizzati su misura — elementi ottici che reindirizzano la luce in funzione della sua frequenza — costruiti direttamente sui chip semiconduttori. Invece delle classiche scanalature a dente d sega intagliate in un pezzo massiccio di metallo, impiegano una “metasuperficie”: un sandwich ultra-sottile di metallo, arsenuro di gallio e strisce metalliche patternate più piccole della lunghezza d’onda terahertz. Scegliendo con cura lo spessore degli strati e lo spazio e la larghezza delle strisce, ottengono una struttura risonante che convoglia la maggior parte dell’energia incidente in una singola direzione desiderata sopprimendo fortemente la semplice riflessione speculare. Le simulazioni prevedevano che questi reticoli potessero reindirizzare fino a circa l’80 percento della luce incidente su una banda di frequenze relativamente ampia centrata attorno a 3,2 terahertz, e gli esperimenti hanno confermato efficienze fino al 70 percento per un singolo dispositivo.

Costruire un’orchestra laser compatta

Su un chip separato, il team ha fabbricato quattro laser a cascata quantica terahertz a emissione superficiale basati su un design precedente che usa una fila di microcavità strettamente accoppiate per produrre un unico modo pulito. Variando leggermente lo spazio tra queste microcavità da un laser all’altro, hanno impostato ciascun dispositivo per emettere alla propria frequenza, con passi di circa 14 gigahertz — abbastanza piccoli perché, in linea di principio, dozzine di questi laser possano rientrare nella larghezza di banda naturale del materiale attivo. Ogni laser produceva un fascio a lobo singolo con potenze di picco di centinaia di milliwatt prima di qualsiasi ottica di combinazione, ma i fasci uscivano dal chip con angolazioni diverse e normalmente divergerebbero l’uno dall’altro.

Guidare molti colori nello stesso percorso

Per ricondurre i fasci insieme, i ricercatori hanno installato una lente di plastica compatta e due reticoli a metasuperfice identici affiancati su una piastra di rame all’interno di una camera a vuoto criogenica. La lente prima collimava i fasci ma non li rendeva paralleli; le loro direzioni differivano ancora leggermente perché i laser occupavano posizioni diverse. Il primo reticolo a metasuperfice piega ogni fascio dipendente dalla frequenza in modo accuratamente scelto, e il secondo reticolo completa la correzione così che, dopo la coppia, tutti e quattro i fasci si sovrappongano nello spazio e propagino quasi perfettamente lungo la stessa linea. Misure nel campo lontano mostrano che, a 35 centimetri di distanza, i punti di tutti e quattro i laser si trovano entro circa un decimo di grado l’uno dall’altro e sono separati da meno di un millimetro, formando un fascio ellittico strettamente collimato con divergenza modesta.

Cosa significa per i futuri strumenti terahertz

Sebbene la potenza complessiva che raggiunge il rivelatore — circa l’11–16 percento di quanto i laser producono direttamente — sia inferiore al massimo teorico, gli autori identificano percorsi chiari per migliorare il sistema, principalmente allargando i reticoli in modo da catturare l’intero fascio. Anche nella sua forma attuale, il sistema fornisce 50–100 milliwatt da ciascun laser dopo la combinazione, all’interno di un pacchetto criogenico compatto e completamente integrato. Per i non specialisti, il messaggio chiave è che questo lavoro dimostra come fondere diverse “note” terahertz brillanti in un “strumento” sintonizzabile usando strutture su chip invece di ottiche ingombranti. Con più laser nell’array e reticoli perfezionati, questo approccio potrebbe portare a spettrometri terahertz pratici e tascabili in grado di identificare rapidamente sostanze chimiche, ispezionare materiali o sondare campioni biologici con alta sensibilità e senza contatto fisico.

Citazione: 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

Parole chiave: laser terahertz, reticoli a metasuperfice, combinazione di fasci, laser a cascata quantica, spettroscopia