Bundeling van stralen van hoogvermogen terahertzlasers met halfgeleider-metasurface-roosters

Schoner licht om het onzichtbare te zien

Terahertzgolven liggen tussen microgolven en infraroodlicht in en ze kunnen door kleding, kunststoffen en zelfs verflagen heen kijken zonder de schadelijke effecten van röntgenstraling. Wetenschappers willen heldere, instelbare terahertzlasers om chemicaliën, drugs en biomoleculen zeer nauwkeurig te scannen, maar de compacte bronnen van vandaag schijnen ofwel niet fel genoeg of zijn moeilijk te tunen. Dit artikel laat zien hoe de bundels van meerdere krachtige terahertzlasers op één chip tot één goedgedisciplineerde, stuurbare bundel kunnen worden samengevoegd met behulp van kleine gepatroneerde structuren die metasurfaces worden genoemd.

Waarom meerdere bundels beter zijn dan één

Een enkele terahertz quantum-cascade-laser levert al indrukwekkend vermogen, maar werkt gewoonlijk slechts op één kleur, of frequentie, tegelijk. Voor toepassingen zoals spectroscopie — het identificeren van stoffen aan de hand van hoe ze licht absorberen — is het veel handiger om een reeks dicht opeengebonden kleuren te hebben die elektronisch gekozen kunnen worden. Eén strategie is het bouwen van een array van veel enkelkleurige lasers en vervolgens hun uitgangen te combineren zodat ze naar buiten toe als één heldere, instelbare bron verschijnen. De uitdaging is dat terahertzbundels de neiging hebben rommelig te zijn en snel uit te lopen, en de omvangrijke lenzen en roosters die gewoonlijk worden gebruikt om ze te sturen en te combineren, passen niet goed in de krappe, koude omgeving die deze lasers vereisen.

Kleine groeven die licht sturen

De auteurs pakken dit probleem aan met op maat gemaakte diffractieroosters — optische elementen die licht afhankelijk van de kleur omleiden — die direct op halfgeleiderchips zijn gebouwd. In plaats van de klassieke zaagtandgroeven in een omvangrijk metalen stuk gebruiken ze een "metasurface": een ultradunne sandwich van metaal, galliumarsenide en gepatternede metalen strepen die kleiner zijn dan de terahertzwavelength. Door zorgvuldig de dikte van de lagen en de afstand en breedte van de strepen te kiezen, creëren ze een resonante structuur die het grootste deel van de binnenkomende energie in één gewenste richting duwt en tegelijkertijd spiegelachtige reflectie sterk onderdrukt. Simulaties voorspelden dat deze roosters tot ongeveer 80 procent van het binnenkomende licht over een vrij breed frequentieband rond 3,2 terahertz konden omleiden, en experimenten bevestigden efficiënties tot 70 procent voor één enkel apparaat.

Het bouwen van een compact laserorkest

Op een aparte chip fabriceerde het team vier oppervlakte-emitters terahertz quantum-cascade-lasers gebaseerd op een eerder ontwerp dat een rij sterk gekoppelde microkaviteiten gebruikt om één enkele, zuivere modus te produceren. Door de afstand tussen deze microkaviteiten van de ene laser tot de andere licht te variëren, stemden ze elk apparaat af om bij een eigen kleur te laseren, met frequentiestappen van ongeveer 14 gigahertz — klein genoeg dat in principe tientallen van zulke lasers binnen de natuurlijke bandbreedte van het actieve materiaal zouden passen. Elke laser produceerde een eenlobige bundel met piekvermogens van honderden milliwatt voordat enige combinerende optiek, maar de bundels verlieten de chip onder verschillende hoeken en zouden normaal gezien uit elkaar divergeren.

Meerdere kleuren geleiden in één pad

Om de bundels samen te brengen plaatsten de onderzoekers een compact plastic lens en twee identieke metasurface-roosters naast elkaar op een koperen plaat binnen een cryogene vacuümkamer. De lens collimatteert de bundels eerst maar maakt ze niet helemaal parallel; hun richtingen verschillen nog licht omdat de lasers op verschillende posities staan. Het eerste metasurface-rooster buigt elke kleurafhankelijke bundel op een zorgvuldig gekozen manier en het tweede rooster voltooit de correctie zodat, na het tweetal, alle vier bundels in de ruimte overlappen en bijna perfect langs dezelfde lijn voortplanten. Verafmetingen tonen dat op 35 centimeter afstand de vlekken van alle vier lasers binnen ongeveer een tiende graad van elkaar liggen en minder dan een millimeter van elkaar gescheiden zijn, waardoor een strak gecollimeerde, ellipsvormige bundel met een bescheiden divergentie ontstaat.

Wat dit betekent voor toekomstige terahertz-instrumenten

Hoewel het totale vermogen dat de detector bereikt — ongeveer 11 tot 16 procent van wat de lasers direct produceren — lager is dan het theoretische maximum, identificeren de auteurs duidelijke verbeterpaden, voornamelijk door de roosters te verbreden zodat ze de volledige bundel vangen. Zelfs in de huidige vorm levert het systeem 50 tot 100 milliwatt van elke laser na combinatie, binnen een compact, volledig geïntegreerd cryogeen pakket. Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat dit werk laat zien hoe meerdere felle terahertz-"noten" in een instelbaar "instrument" kunnen worden samengevoegd met chipmaatstructuren in plaats van omvangrijke optiek. Met meer lasers in de array en verfijnde roosters zou deze benadering kunnen leiden tot praktische, handformaat terahertz-spectrometers die snel chemicaliën identificeren, materialen inspecteren of biologische monsters met hoge gevoeligheid en zonder fysiek contact onderzoeken.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: terahertzlasers, metasurface-roosters, bundeling van stralen, quantum cascade-lasers, spectroscopie