Terahertz-lasers kunnen veiligheid luchthavens verbeteren

Onderzoekers aan het MIT en de Princeton University hebben een laser ontworpen die terahertz-stralen van verschillende frequenties uitstraalt. Elke stof zal deze stralen op een andere manier absorberen, waardoor bijvoorbeeld bommen op luchthavens kunnen worden gedetecteerd.

Spectroscopie

Spectroscopie is een techniek waarbij stoffen worden onderzocht aan de hand van hun spectrum, oftewel hun wisselwerking met stralingen van verschillende energie. Een bekend voorbeeld hiervan is de kleurschifting van licht die invalt op een prisma. Door de verschillende brekingsindexen van de kleuren die in wit licht vervat zitten, zullen deze kleuren zichtbaar worden.

Bij terahertz-spectroscopie wordt er gebruik gemaakt van de band elektromagnetische straling die zich tussen microgolven en infrarood licht bevindt. Iedere stof heeft een uniek absorptieprofiel. Hierdoor kan een breed scala aan materialen worden gedetecteerd, waaronder chemicaliën die in explosieven worden gebruikt.

Licht dat gebroken wordt door een prisma is een mooi voorbeeld van spectroscopie.

Frequentiekam

Wetenschappers onderzoeken al langer het gebruik van terahertz-lasers om verschillende stoffen te kunnen onderscheiden. Bij de toestellen die in het verleden werden gebruikt, diende iedere frequentie echter apart worden uitgestuurd. Aangezien hiervoor een mechanische aanpassing aan het toestel nodig was, nam dit erg veel tijd in beslag.

Onderzoekers aan het MIT hebben echter een manier gevonden om een zogenaamde frequentiekam te maken. Hierin zitten verschillende frequenties vervat die gelijk verdeeld zijn. Na slechts enkele metingen, waarvoor geen mechanische aanpassingen nodig zijn, kan het absorptieprofiel van de gedetecteerde materialen matematisch worden berekend.

Een impressie van het versterkingsmedium. De verschillende kleuren stellen de golflengtes voor van oscillerende terahertz-stralen die verschillende afstanden in het versterkingsmedium afleggen.

Inkepingen

Dit principe klinkt misschien eenvoudig, maar het is niet gemakkelijk om een frequentiekam te maken waarin de frequenties gelijk verdeeld zijn. Dit komt door de opbouw van kwantumcascadelasers. Hierin wordt namelijk gebruik gemaakt van een versterkingsmedium waarin elektromagnetische stralen heen en weer stuiteren tot ze voldoende energie hebben om het medium te verlaten. De frequenties van de laserstraal zullen hierdoor worden bepaald door de lengte van het versterkingsmedium.

Ook de brekingsindex van het versterkingsmedium is echter van belang. Deze bepaald immers hoe snel de radiatie doorheen het medium beweegt. Doordat deze brekingsindex verschillend is voor alle frequenties zullen de frequenties niet gelijk verdeeld worden over de frequentiekam.

De onderzoekers aan het MIT en de Princeton University hebben daarom een speciaal versterkingsmedium ontwikkeld. Dit medium bestaat uit honderden lagen die afwisselend uit galliumarsenide en aluminiumgalliumarsenide bestaan. In het versterkingsmedium zijn bovendien symmetrische inkepingen aan beide kanten gemaakt, waardoor de brekingsindex van het medium wordt beïnvloedt.

Koeling

Een ander probleem waarmee de wetenschappers te kampen hadden, was de koeling van het systeem. De laser zelf is niet groter dan een chip, maar de koeling maakt het geheel een pak groter. De onderzoekers ontdekten echter dat korte uitbarstingen van terahertz-stralen  voldoende zijn om het absorptieprofiel van materialen te bepalen. Hierdoor blijft de laser kouder en is een externe koeling niet langer noodzakelijk.

Ondanks dit veelbelovende onderzoek zullen lasers nog niet snel hun intrede maken in luchthavens. “Dit is een belangrijke eerste stap naar het kunnen detecteren van chemicaliën in de terhartz-zone,” legt Gerard Wysocki, een professor aan de Princeton University, uit.