ENGINEERINGNET -- Een laser die in het TeraHertz gebied kan werken, heeeft licht met lange golflengten van ver-infrarood tot 1 millimeter.
Promovendus Thomas Denis, van het Nederlandse MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT, combineert hiervoor het beste van twee werelden: een vrije elektronenbron en fotonische kristallen. Resultaat: grotere flexibiliteit en een compacte laser.
Een TeraHertz-laser kan de moleculaire opbouw van bijvoorbeeld een medicijn laten zien, omdat de geproduceerde laserstraling golflengten heeft die belangrijk zijn voor de moleculaire en atomaire bindingen.
Zo is meer ruimtelijke informatie te krijgen dan uit een chemische analyse: een gedetailleerde vingerafdruk. Tot nu toe is de beperking echter dat dit type lasers gebonden zijn aan bepaalde golflengten.
Dit komt bijvoorbeeld doordat de bron van het laserlicht een halfgeleider is, waarin elektronen alleen vaste energietoestanden kunnen innemen, en daarmee ook een beperkt aantal ‘kleuren’ licht mogelijk is.
In een vrije-elektronenlaser zijn de elektronen niet gebonden aan vaste toestanden, zoals ook de elektronen in een klassieke beeldbuis. Waarom dan niet een vrije elektronenbron combineren met een zogenaamd fotonisch kristal, was de gedachte van Denis.
Dit is een constructie met talloze ‘paaltjes’ die met z’n allen het invallende licht afremmen en zorgen voor een coherente bundel. Fotonische kristallen zijn op microniveau te maken, voor bijvoorbeeld een lab-on-a-chip, maar ook aanzienlijk groter.
De afmetingen en vormgeving van het kristal bepalen dan het grove golflengtegebied, met de snelheid van de elektronen die je ernaartoe schiet, kun je vervolgens de exacte golflengte bepalen en afstemmen. De combinatie heet ‘photonic free-electron laser’, pFEL.
Bestaande TeraHertz-lasers hebben ook het nadeel dat ze erg groot zijn: kamervullend. Dankzij de toepassing van fotonische kristallen is de door Denis ontworpen pFEL niet veel groter dan een huishoudmagnetron, en is op dat formaat toch een hoog vermogen mogelijk.
Ook vond hij een bijzondere manier om binnenin een fotonisch kristal te ‘kijken’, iets wat normaal gesproken niet mogelijk is. Door het golflengtepatroon in het kristal een beetje te verstoren met een metalen balletje, is te meten hoe het eigenlijke patroon eruit ziet.
(GL)
Foto's UTwente:
(boven) Fotonisch kristal voor een 6 GigaHertz laser. De periodieke opstelling van de staafjes geeft de unieke eigenschappen in de manipulatie van de laserstraling.
(hieronder)Dwarsdoorsnede van een ontwerp pFEL, met rechts de vrije-elektronenbron, binnen het rode gedeelte het fotonisch kristal. 
