Dans quelles conditions les nanolasers peuvent-ils être considérés comme de vrais lasers ?

• La lumière cohérente générée par les nanolasers est difficile à mesurer.
• Les chercheurs découvrent une méthode pour effectuer des mesures aussi complexes.
• Ils développent une formule simple pour déterminer dans quelles conditions les nanolasers sont considérés comme de vrais lasers.

Au cours des dernières années, les nanolasers sont devenus un nouveau type de source lumineuse d'une taille d'environ un milliardième de mètre. Ses propriétés uniques le distinguent des lasers macroscopiques.

La conception des nanolasers est très similaire à celle des lasers à semi-conducteurs traditionnels à hétérostructure. Cependant, leurs cavités sont extrêmement petites :sur la magnitude de la longueur d'onde de la lumière (lumière infrarouge et visible).

Dans les années à venir, les nanolasers seront utilisés dans les circuits optiques intégrés pour augmenter les performances des GPU et des CPU, et augmenter les vitesses de connexion Internet via la fibre optique de plusieurs ordres de grandeur. Il peut également être intégré à des techniques utilisées pour contrôler l'activité des neurones dans les organismes vivants.

Atteindre la cohérence dans les nanolasers

Il y a un problème majeur avec les nanolasers :on ne sait pas à quel moment (courant) son rayonnement de sortie devient cohérent. Pour les applications du monde réel, il est crucial de différencier les 2 phases du nanolaser :la phase de type LED avec une sortie incohérente à faibles courants et la véritable action laser avec une sortie cohérente à des courants élevés.

Pour être considéré comme un vrai laser, la source de rayonnement doit remplir quelques conditions. Le plus important est qu'il doit éjecter un rayonnement cohérent. La cohérence est atteinte au-dessus d'un point appelé seuil laser. En dessous de ce point, la source émet un rayonnement spontané qui n'est pas différent des sorties des LED traditionnelles.

Ce seuil laser peut être déterminé en analysant la relation entre le courant de pompe et la puissance de sortie (figure 1A). Cependant, certains équipements ne présentent pas de particularités (ligne rouge sur la figure 1b), ce qui rend très difficile le repérage de la valeur seuil dans la courbe courant de pompe/puissance de sortie. Ce type de nanolasers est appelé « sans seuil ».

Nouvelle formule pour mesurer directement la cohérence

La lumière cohérente générée par les nanolasers est difficile à mesurer car elle nécessite des instruments délicats pour capturer les fluctuations d'intensité à des milliardièmes de milliseconde.

Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont découvert une méthode pour effectuer des mesures aussi difficiles. Il s'agit de quantifier la cohérence du rayonnement nanolaser à l'aide des principaux paramètres laser.

Référence :Optics Express | doi:10.1364/OE.26.033473 | MIPT

La méthode peut être utilisée pour localiser le courant de seuil pour presque tous les nanolasers, y compris les nanolasers « sans seuil », qui ont une valeur de seuil distincte isolant les phases laser et LED. Le rayonnement éjecté par les nanolasers est cohérent au dessus de ce courant seuil et incohérent en dessous.

Auparavant, il était presque impossible d'obtenir un rayonnement cohérent en raison de la nature auto-échauffante des nanolasers. Ainsi, distinguer le seuil laser réel de celui illusoire est tout à fait crucial.

Pour ce faire, les chercheurs ont développé une formule simple qui peut être universellement utilisée pour tous les nanolasers. En utilisant cette formule ainsi que des paramètres d'entrée-sortie (figure 2), les physiciens peuvent rapidement évaluer la valeur seuil de toute structure qu'ils construisent.

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Cette nouvelle étude permet de prédire facilement (à l'avance) à quel courant de pompe le nanolaser produira un rayonnement cohérent quelle que soit sa conception. Cela aidera les physiciens à concevoir et à construire des nanolasers avec des caractéristiques prédéterminées et une cohérence garantie.