ביצועי לייזר שגוברים על כל מקור לייזר קיים

This post is also available in: English (אנגלית)

חוקרים מאוניברסיטת הארוורד וצבא ארה"ב פיתחו מקור לייזר חדש, שעשוי להביא למהפכה בטכנולוגיות כמו איתור, אבטחה ורפואה. 

טווח תדר הטרה-הרץ, שנמצא באמצע הספקטרום האלקטרו-מגנטי, בין מיקרוגל לאור אינפרה-אדום, הוא בעל פוטנציאל לתקשורת רחבת-פסתהדמיה ברזולוציה אולטרה-גבוהה, חישה מדויקת לטווח ארוך לאסטרונומיית רדיו, ועוד.

אבל חלק זה של הספקטרום האלקטרו-מגנטי נשאר מחוץ לתחום עבור רוב היישומים מפני שמקורות קיימים של תדרי טרה-הרץ הם בלתי מספיקים, מוגלים או זקוקים לטמפרטורות נמוכות ביותר כדי לפעול.

כעת, הצליחו חוקרים מבית-הספר להנדסה ומדעים ישומיים ע"ש פולסון (SEAS) באוניברסיטת הארוורד בשיתוף עם המכון הטכנולוגי MIT וצבא ארה"ב, לפתח לייזר טרה-הרץ קומפקטי, בטמפרטורת החדר, שניתן לכוון אותו. 

ניתן להשתמש בלייזר הזה בכל דבר החל מהדמיית סרטן, דרך איתור סמים, אבטחת שדות תעופה ולינקים אופטיים אלחוטיים בעלי קיבולת גבוהה במיוחד.

לדברי פרדריקו קפאסו, מרצה לפיזיקה ישומית ב-SEAS ואחד מכותבי המחקר, "ביצועי הלייזר הזה גוברים על כל מקור לייזר קיים באזור ספקטרלי זה ופותח אותו, לראשונה, למגוון רחב של ישומים במדע ובטכנולוגיה".

"ישנם צרכים רבים למקור לייזר כזה, ביניהם תקשורת אלחוטית רחבת פס לטווח קצר, מכ"ם ברזולוציה גבוהה מאוד וספקטרוסקופיה", טוען הנרי אבריט, טכנולוג בכיר במרכז התעופה והטילים יCCDC של צבא ארה"ה השותף למחקר, ומרצה לפיזיקה באוניברסיטת דיוק.

בעוד שרוב מקורות הטרה-הרץ האלקטרוני או האופטי משתמשים במערכות גדולות, לא יעילות ומורכבות כדי לייצר את התדרים החמקמקים עם טווח כיוון מוגבל, צוות המחקר הזה נקט בגישה שונה.

איך פועל לייזר? בפיזיקה קוואנטית, אטומים או מולקולות מעוררים הם בעלי רמות אנרגיה שונות, אפשר להמחיש זאת כקומות בבניין. בלייזר גז טיפוסי, מספר רב של מולקולות לכודות בין שתי מראות ועוברות עירור ברמת האנרגיה, כלומר כאילו עולות לקומה גבוהה יותר בבניין. כשהן מגיעות לקומה, הן דועכות ונופלות רמת אנרגיה אחת, ופולטות פוטון. פוטונים אלה ממריצים את הדעיכה של מולקולות נוספות שנעות קדימה ואחורה, מה שמביא להגברת האור. כדי לשנות את התדר של הפוטונים הנפלטים יש צורך בשינוי רמת האנרגיה של המולקולות.

איך ניתן לשנות את רמת האנרגיה? דרך אחת היא להשתמש באור. בתהליך שנקרא שאיבה אופטית, האור מעלה מולקולות מרמת אנרגיה נמוכה לגבוהה – כמו מעלית קוואנטום. לייזרים קודמים של טרה-הרץ מולקולרי השתמשו במשאבות אופטיות אבל הם היו מוגבלים ביכולת הכיוון לתדרים מועטים בלבד, מה שאומר שהמעלית יכלה להגיע רק למספר קטן של קומות. 

לפי news.harvard.edu, פריצת הדרך של המחקר היא בכך שהצוות השתמש בלייזר מפל קוואנטיים QCL בעל יכולת כיוון גבוהה בתור המשאבה האופטית. 

לייזרים עוצמתיים ונישאים אלה, שפותחו על ידי קפאסו וצוותו במעבדות בל בשנות ה-1990 מסוגלים לייצר ביעילות אור שניתן לכיוון. במילים אחרות, מעלית קוואנטום זו יכולה לעצור בכל קומה וקומה בבניין. 

החוקרים שילבו את משאבת הלייזר של מפל קוואנטיים עם לייזר חמצן דו-חנקני (גז הצחוק). 

"באמצעות אופטימיזציה של הלייזר והעדשות הצלחנו לייצר תדרים שמתקרבים ל-1 טרה-הרץ", לדברי ארמן אמירזן מצוות המחקר.

"זוהי תוצאה יחידה במינה", אמר קפאסו, "אמנם כבר ידוע איך לייצר לייזר טרה-הרץ, אבל עד עכשיו לא היה ניתן להפוך אותו לפס רחב. רק כשהתחלנו בשיתוף הפעולה הצלחנו לקשר שלמעשה ניתן להשתמש במשאבה כמו לייזר מפל קוואנטיים".

המחקר פורסם בכתב העת Science.