Un nouveau laser pourrait être utilisé pour des applications dans l’imagerie, la sécurité ou les communications

Le laser pourrait être utilisé dans une gamme d’applications, telles que l’imagerie du cancer de la peau et du sein, la détection de drogues, la sécurité des aéroports et les liaisons sans fil optiques à très haute capacité.

La recherche, menée par une équipe de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec le DEVCOM Army Research Lab et DRS Daylight Solutions, est publiée dans APL Photonique.

“Il s’agit d’une technologie révolutionnaire pour générer un rayonnement térahertz”, a déclaré Federico Capasso, professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l’article. “Grâce à sa compacité, son efficacité, sa large plage de réglage et son fonctionnement à température ambiante, ce laser a le potentiel de devenir une technologie clé pour combler le fossé térahertz pour les applications d’imagerie, de sécurité ou de communication.”

La gamme de fréquences térahertz – qui se situe au milieu du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge – est restée difficile à atteindre pour les applications car la plupart des sources térahertz sont soit très volumineuses, inefficaces, soit reposent sur des dispositifs à basse température pour produire ces fréquences insaisissables avec un réglage limité.

En 2019, le groupe Capasso, en collaboration avec le MIT et l’armée américaine, a développé un prototype qui a prouvé que les sources de fréquence térahertz pouvaient être compactes, à température ambiante et largement réglables en combinant une pompe laser à cascade quantique avec un laser moléculaire à protoxyde d’azote.

La nouvelle recherche fait plus que tripler la plage de réglage de ce prototype. Entre autres avancées, le nouveau laser remplace le protoxyde d’azote par du fluorure de méthyle, une molécule qui réagit fortement avec les champs optiques.

“Ce composé est vraiment bon pour absorber l’infrarouge et émettre des térahertz”, a déclaré Arman Amirzhan, étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l’article. “En utilisant du fluorure de méthyle, qui est non toxique, nous avons augmenté l’efficacité et la plage de réglage du laser.”

“Le fluorure de méthyle est utilisé comme laser térahertz depuis près de 50 ans, mais il ne génère que quelques fréquences laser lorsqu’il est pompé par un laser à dioxyde de carbone volumineux”, a déclaré Henry Everitt, technologue principal de l’armée américaine pour les sciences optiques, et co- auteur du papier. “Les deux innovations que nous rapportons, une cavité laser compacte pompée par un laser à cascade quantique, se combinent pour donner au fluorure de méthyle la capacité de laser sur des centaines de lignes.”

Ce laser a déjà le potentiel d’être l’un des lasers térahertz les plus compacts jamais conçus et les chercheurs visent à le rendre encore plus compact.

“Un appareil de moins d’un pied cube nous permettra de cibler cette gamme de fréquences pour encore plus d’applications dans les communications à courte portée, les radars à courte portée, la biomédecine et l’imagerie”, a déclaré Paul Chevalier, associé de recherche à SEAS et chercheur principal du équipe.

“La combinaison de lasers à cascade quantiques matures et compacts avec des supports de gain laser moléculaire a abouti à une plate-forme laser THz très robuste avec un large éventail d’applications allant de la recherche fondamentale à la détection et à l’imagerie moléculaires THz, aux communications et à la sécurité THz et au-delà. ” a déclaré Timothy Day, vice-président principal et directeur général de DRS Daylight Solutions et co-auteur de l’article.

L’article a été co-écrit par Jeremy Rowlette, H. Ted Stinson et Michael Pushkarsky. Ce travail a été partiellement soutenu par le US Army Research Office (contrats W911NF-19-2-0168, W911NF-20-1-0157).