Этот крошечный лазер извлекает выгоду из эффектов квантового масштаба материалов размером всего в несколько десятков атомов, чтобы генерировать мощный луч в той части спектра, где традиционные лазеры теряют силу. Предоставлено: НАСА/Майкл Джунто.

Поиск воды на Луне может быть проще с помощью технологии Годдарда, которая использует эффект, называемый квантовым туннелированием, для создания мощного терагерцового лазера, заполняющего пробел в существующих лазерных технологиях.

Поиск воды и других ресурсов является приоритетом НАСА, имеющим решающее значение для изучения естественного спутника Земли и других объектов в Солнечной системе и за ее пределами. Предыдущие эксперименты сделали вывод, а затем подтвердили существование небольшого количества воды на Луне. Однако в большинстве технологий не различают воду, свободные ионы водорода и гидроксил, поскольку используемые широкополосные детекторы не могут различать разные летучие вещества.

Инженер Годдарда доктор Берхану Булча сказал, что тип прибора, называемый гетеродинным спектрометром, может увеличивать масштаб на определенных частотах, чтобы окончательно идентифицировать и определить местонахождение источников воды на Луне. Для этого потребуется стабильный мощный терагерцовый лазер, прототип которого был создан в сотрудничестве с Longwave Photonics в рамках программы NASA Small Business Innovation Research (SBIR).

«Этот лазер позволяет нам открыть новое окно для изучения этого частотного спектра », — сказал он. «Другие миссии обнаружили гидратацию на Луне, но это может указывать на гидроксил или воду. Если это вода, то откуда она? Нам нужно ответить на эти вопросы, потому что вода имеет решающее значение для выживания и может быть использована в качестве топлива для дальнейших исследований».

Как следует из названия, спектрометры определяют спектры или длины волн света, чтобы выявить химические свойства вещества, с которым соприкоснулся свет. Большинство спектрометров, как правило, работают с широкими участками спектра. Гетеродинные инструменты настраиваются на очень специфические световые частоты, такие как инфракрасный или терагерцовый. Водородсодержащие соединения, такие как вода, излучают фотоны в терагерцовом диапазоне частот — от 2 триллионов до 10 триллионов циклов в секунду — между микроволновым и инфракрасным излучением.

Подобно микроскопу для тонких различий в полосе пропускания, такой как терагерц, гетеродинные спектрометры сочетают локальный лазерный источник с входящим светом. Измерение разницы между лазерным источником и комбинированной длиной волны обеспечивает точные показания между поддиапазонами спектра.

Традиционные лазеры генерируют свет, возбуждая электрон во внешней оболочке атома, который затем испускает один фотон при переходе или возвращается на свой энергетический уровень покоя. Разные атомы излучают разные частоты света в зависимости от фиксированного количества энергии, необходимой для возбуждения одного электрона. Однако лазерам не хватает определенной части спектра между инфракрасным и микроволновым излучением, известной как терагерцовая щель.

«Проблема существующих лазерных технологий, — сказал д-р Булча, — заключается в том, что ни один материал не обладает свойствами, необходимыми для создания терагерцовой волны».

Электромагнитные генераторы, подобные тем, которые генерируют радио- или микроволновые частоты, производят маломощные терагерцовые импульсы, используя серию усилителей и умножителей частоты для расширения сигнала до терагерцового диапазона. Однако этот процесс потребляет много напряжения, а материалы, используемые для усиления и умножения импульса, имеют ограниченную эффективность. Это означает, что они теряют мощность по мере приближения к терагерцовым частотам.

С другой стороны терагерцового промежутка оптические лазеры накачивают энергию в газ для генерации фотонов. Однако мощные лазеры терагерцового диапазона большие, энергоемкие и не подходят для целей исследования космоса, где масса и мощность ограничены, особенно для портативных или малых спутников. Мощность импульса также падает по мере того, как оптические лазеры приближаются к полосе частот терагерцового диапазона.

Чтобы восполнить этот пробел, команда доктора Булчи разрабатывает квантовые каскадные лазеры, которые производят фотоны при каждом переходе электрона, используя уникальную квантовую физику материалов, слои которых имеют толщину всего в несколько атомов.

В этих материалах лазер излучает фотоны с определенной частотой, определяемой толщиной чередующихся слоев полупроводников, а не элементами в материале. В квантовой физике тонкие слои увеличивают вероятность того, что фотон затем сможет туннелировать в следующий слой вместо того, чтобы отскакивать от барьера. Оказавшись там, он возбуждает дополнительные фотоны. Используя материал генератора с 80-100 слоями общей толщиной менее 10-15 микрон, источник команды создает каскад фотонов с терагерцовой энергией.

Этот каскад потребляет меньше напряжения для получения стабильного мощного света. Одним из недостатков этой технологии является то, что ее луч распространяется под большим углом, быстро рассеиваясь на коротких расстояниях. Используя инновационную технологию, поддерживаемую Внутренними исследованиями и разработками Годдарда (IRAD), д-р Булча и его команда интегрировали лазер в волновод с тонкой оптической антенной, чтобы сузить луч. Интегрированный блок лазера и волновода снижает это рассеивание на 50% в корпусе меньше четверти.

Он надеется продолжить работу по созданию готового к полету лазера для программы NASA Artemis.

Небольшой размер лазера и энергопотребление позволяют разместить его в CubeSat высотой 1U, размером с чайник, вместе со спектрометром, процессором и блоком питания. Он также может питать портативное устройство для использования будущими исследователями на Луне, Марсе и за его пределами.