استفاده از لیزر تراهرتز جدید برای مأموریت های فضایی

استفاده از لیزر تراهرتز جدید برای مأموریت های فضایی

لیزر تراهرتز جدید با توان پایدار بالا، الگوی باریکه یکنواخت و با بازه گسترده کوک پذیری فرکانس توسط محققین مؤسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) طراحی شده است. این لیزر توسط ناسا برای مأموریت ۲۰۲۱ و به منظور آشکارسازی گسیل های شیمیایی در فضای بین ستاره ها که حاوی ماده ای کیهانی است، برگزیده شده است.    

شکل- لیزر تراهرتز طراحی شده توسط محققین MIT. این لیزر نخستین لیزر برای دستیابی همزمان به سه هدف کلیدی توان بالا، الگوی یکنواخت باریکه و بازه گسترده کوک پذیری فرکانس است.

در طراحی این لیزر، چندین لیزر نیمه هادی سیمی[1] جفت می شوند و سبب می شود این لیزرها همزمان نوسان کنند (از نظر فازی قفل شوند). این قفل شدگی فازی با ایجاد اتصالات آرایه ای بین لیزرهای سیمی، حاصل می شود.
 به منظور ساخت یک لیزر با قابلیت کوک پذیری فرکانس برای ناسا، محققین از شیمی آلی کمک گرفتند. محققین می دانستند که زنجیره های پلیمری با اتم هایی که در امتداد دو سمت آن قرار دارند "پیوند-پی" تشکیل می دهند، یعنی اوربیتال های مولکولی آنها برای اتصال پایدارتر با یکدیگر همپوشانی دارند. این تیم تحقیقاتی مفهوم پیوند-پی را در لیزرها به کار گرفتند تا چندین لیزر را بوسیله پیوند-پی از لحاظ فازی قفل کنند.
محققین از "کلیدهای چرخان" کوچک برای تغییر جریان هر لیزر سیمی استفاده کردند که سبب تغییر ناچیزی در نحوه عبور نور لیزر می شود. با تغییر ضریب شکست در لیزرهای جفت شده، یک جابجایی فرکانسی پیوسته در فرکانس مرکزی ایجاد می شود. تنظیم هر لیزر جفت شده اجازه تنظیم گسترده فرکانس را برای بهبود تفکیک پذیری و تضمین اندازه گیری ها می دهد. خروجی این جفت ها با هم ترکیب شده و یک باریکه توان بالا با کمترین میزان واگرایی را نتیجه می دهد.
برای تست این لیزرها، محققین آرایه ای از ۱۰ لیزر سیمی با جفت شدگی π ساختند. این لیزرها با فرکانس کوک پذیر پیوسته در بازه فرکانسی ۱۰ گیگا هرتزی عمل می کنند و بسته به تعداد جفت لیزرهای با جفت شدگی π درون آرایه، توان خروجی تقریبی ۵۰ تا ۹۰ میلی وات دارند. همچنین واگرایی باریکه خروجی حدود ۱۰ درجه است.
علاوه بر آماده سازی این لیزرها برای مأموریت ناسا، محققین از تکنولوژی این لیزر برای تصویربرداری نیز استفاده کرده اند. این سیستم می تواند برای تصویربرداری سرطان پوست و دیگر کاربردها استفاده شود. به گفته محققین این سیستم تراهرتز در ابعاد چیپ علاوه بر کوک پذیری، از لحاظ توان خروجی نیز با نوع بزرگ تر آن برابری می کند.
طبق نظر این محققین، آنها به نخستین لیزر تراهرتز که همزمان ویژگی های توان پیوسته، کیفیت بالای باریکه و فرکانس کوک پذیر دارد، دست یافته اند. به گفته آقای علی خلعت پور یکی از محققین این پروژه:"تا کنون لیزرهایی با فرکانس کوک پذیری، کیفیت باریکه بالا یا توان بالا ساخته شده است ولی هر کدام از آنها فاقد دو ویژگی دیگر هستند. بنابراین این نخستین بار است که به طور همزمان به هر سه پارامتر در لیزرهای تراهرتز بر پایه چیپ دست یافته ایم. داشتن دستگاهی با همه این پارامترها، قابلیت های تصویربرداری را بطور چشمگیری بهبود بخشیده و کاربردهایش را گسترش می دهد."
درباره لیزرهای تراهرتز: لیزرهای تراهرتز می توانند یک تابش همدوس را درون ماده بفرستند تا اثر طیفی منحصر به آن ماده استخراج شود. مواد مختلف تابش تراهرتز را با درجات مختلف جذب می کنند، به این معنی که هرکدام اثر طیفی منحصر بفردی دارند که به صورت خطوط طیفی[2] ظاهر می شوند. این پدیده به خصوص در بازه ۱ تا ۵ تراهرتز دارای اهمیت است. برای آشکارسازی کالای غیرمجاز مثل هروئین، این طیف منحصربفرد در حدود ۱.۴۲ و ۳.۹۴ تراهرتز و در کوکائین حدود ۱.۵۴ تراهرتز است.      
این تحقیق در مجله Nature Photonics  چاپ شده است.

 

Source: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0307-0.


[1] Semiconductor-based Wire Laser

[2] Spectral Line

 

منبع : doi.org      1398/3/23 12:32