Для наблюдений за холодным веществом в межзвездной среде, астрономам нужны приборы, способные идентифицировать терагерцевое излучение. Некоторое приборы с высокой разрешающей способностью основаны на тарагерцевых квантово-каскадных лазерах, но работают они только при криогенных температурах. Физики Paul Drude Institute (PDI) в Берлине (Германия) разработали терагерцевый квантово-каскадный лазер, который может работать при более высоких температурах. Новая разработка позволяет использовать более компактные системы охлаждения.
Длины волн терагерцевого (ТГц) излучения находятся между микроволновым и инфракрасным диапазонами. Этот вид электромагнитного излучения способен проникать сквозь многие материалы, такие как пластмасса и одежда. В то же время ТГц излучение — в виду незначительной энергии — не подвержено ионизации, следовательно, не представляет опасности для людей. Терагерцовое излучение используется в аэропортах для сканирования багажа и людей, в медицинскую практику начинают внедряться ТГц томографы, позволяющие проводить исследования верхних слоев тела.
Для астрономов терагерцевое излучение обеспечивает новые возможности исследования, так называемого, холодного вещества. Этот вид вещества не излучает видимый свет, такой как звезды, но характеризуется электромагнитным излучением от инфракрасного до микроволнового диапазона. German Aerospace Center (DLR) измеряет такие линии эмиссии с высокой точностью в рамках американо-германского проекта «SOFIA». Благодаря доплеровскому смещению обнаруживаемых частот, исследователи могут определять скорость движения холодного вещества через галактику. Чтобы уменьшить поглощение частицами воды в атмосфере Земли, измерения проводятся с борта самолёта. Одним из ключевых элементов системы датчика является квантово-каскадный лазер, разработанный Paul Drude Institute.
В рамках совместного проекта, финансируемого Investitionsbank Berlin, исследователи разработали компактную систему квантово-каскадного лазера. Партнёрами PDI в этом проекте выступили Ferdinand Braun Institute (Берлин, Германия), Берлинский университет имени Гумбольдта, компания Photonics.
По словам Martin Wienold из PDI, одна из основных проблем лазеров — низкие рабочие температуры, которые обычно даже ниже температуры жидкого азота (77 К или — 196 С) в течении операций непрерывного излучения. Физик отмечает, что он и его коллеги достигли нового рекорда — лазер может работать при температуре до 129 К (- 144 ), улучшив тем самым предыдущий рекорд более чем га 10 градусов. Тем не менее, эта температура по-прежнему довольно низкая, но в сочетании с значительным снижением рассеиваемой мощности новых лазеров, она позволяет использовать более компактные механические холодильники, объясняет учёный. По словам Wienold, он и его коллеги смогут уменьшить размер систем, основанных на терагерцевых квантово-каскадных лазерах, в будущем, что крайне важно для таких миссий, как «SOFIA».
Физики в PDI добились высоких рабочих температур, разрабатывая полупроводниковые гетероструктуры, нуждающиеся в незначительной движущей силе. Лазерный гребень составляет порядка 10-15 микрон в высоту и 15 микрон в ширину, в то время как длина волны эмиссии — порядка 10 микрон. Активная область ограничивается двумя металлическими слоями, представляющими собой почти идеальные зеркала терагерцевого диапазона. Это сочетание приводит к рассеянию очень малой мощности и позволяет осуществлять операции в низких плотностях тока и напряжениях.
По словам Martin Wienold, есть ещё одна проблема, заключается она в том, что, несмотря на достижение относительно высоких рабочих температур, сильная пространственная локализация света в лазере привела к чрезвычайно расходующемуся профилю луча. Физики решили эту проблему, применив концепции первых лет радиовещания. Решётки в верхней части лазерного гребня, так называемые, решётки третьего порядка, действуют как направляющая антенна, которая коллимирует лазерное излучение. Wienold отмечает, что в настоящее время он работает над достижением ещё более высоких температур, тем не менее проведения операций в условиях комнатной температуры будет трудно достичь из-за некоторых физических ограничений.
