Définir les vrais lasers : quand les nanolasers répondent aux critères du laser

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

Atteindre la cohérence dans les nanolasers

Il y a un problème majeur avec les nanolasers : nous ne savons pas à quel point (courant) son rayonnement de sortie devient cohérent. Pour les applications réelles, il est crucial de différencier entre 2 phases du nanolaser : la phase de type LED avec une sortie incohérente à bas courants et la véritable action laser avec une sortie cohérente à hauts courants.

Pour qualifier comme un vrai laser, la source de rayonnement doit remplir quelques exigences. La plus importante est qu'elle doit éjecter un rayonnement cohérent. La cohérence est atteinte au-dessus d'un point appelé le seuil de laser. En dessous de ce point, la source émet un rayonnement spontané qui n'est pas différent des sorties des LED traditionnelles.

Ce seuil de laser peut être déterminé en analysant la relation entre le courant de pompe et la puissance de sortie (figure 1A). Cependant, certains équipements n'exhibent pas de caractéristiques spéciales (ligne rouge dans figure 1b), ce qui rend très difficile d'identifier la valeur seuil dans la courbe courant de pompe versus puissance de sortie. Ce type de nanolasers est appelé « sans seuil ».

Nouvelle formule pour mesurer la cohérence directement

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 de telles mesures difficiles. Elle implique la quantification de la cohérence du rayonnement du nanolaser en utilisant les paramètres principaux du laser.

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

La méthode peut être utilisée pour identifier le courant 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-chauffante des nanolasers. Ainsi, distinguer le seuil de laser réel de l'illusion est assez crucial.

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

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