Schéma du laser BIC :un faisceau laser haute fréquence (bleu) alimente la membrane pour émettre un faisceau laser à fréquence de télécommunication (rouge). Crédit :groupe Kanté, UC San Diego
Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont démontré le premier laser au monde basé sur un phénomène de physique des ondes non conventionnel appelé états liés dans le continuum. La technologie pourrait révolutionner le développement des lasers de surface, ce qui les rend plus compacts et économes en énergie pour les communications et les applications informatiques. Les nouveaux lasers BIC pourraient également être développés en tant que lasers haute puissance pour des applications industrielles et de défense.
"Les lasers sont omniprésents dans le monde d'aujourd'hui, des simples pointeurs laser de tous les jours aux interféromètres laser complexes utilisés pour détecter les ondes gravitationnelles. Nos recherches actuelles auront un impact sur de nombreux domaines d'applications laser, " dit Ashok Kodigala, un doctorat en génie électrique. étudiant à l'UC San Diego et premier auteur de l'étude.
"Parce qu'ils ne sont pas conventionnels, Les lasers BIC offrent des propriétés uniques et inédites qui n'ont pas encore été réalisées avec les technologies laser existantes, " dit Boubacar Kanté, professeur de génie électrique à la UC San Diego Jacobs School of Engineering qui a dirigé la recherche.
Par exemple, Les lasers BIC peuvent être facilement réglés pour émettre des faisceaux de différentes longueurs d'onde, une fonctionnalité utile pour les lasers médicaux conçus pour cibler avec précision les cellules cancéreuses sans endommager les tissus normaux. Les lasers BIC peuvent également être conçus pour émettre des faisceaux avec des formes spécialement conçues (spirale, beignet ou courbe en cloche) - appelés faisceaux vectoriels - qui pourraient permettre à des ordinateurs et des systèmes de communication optique de plus en plus puissants de transporter jusqu'à 10 fois plus d'informations que ceux existants.
« Les sources lumineuses sont des composants clés de la technologie de communication de données optique dans les téléphones portables, informatique et astronomie, par exemple. Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de source lumineuse plus efficace que ce qui est disponible aujourd'hui en termes de consommation d'énergie et de vitesse, " dit Babak Bahari, un doctorat en génie électrique. étudiant au laboratoire de Kanté et co-auteur de l'étude.
Les états liés dans le continuum (BIC) sont des phénomènes dont l'existence est prédite depuis 1929. Les BIC sont des ondes qui restent parfaitement confinées, ou relié, dans un système ouvert. Les ondes conventionnelles dans un système ouvert s'échappent, mais les BIC défient cette norme - ils restent localisés et ne s'échappent pas malgré les voies ouvertes pour le faire.
Dans une étude précédente, Kanté et son équipe ont démontré, aux fréquences micro-ondes, que les BIC pourraient être utilisés pour piéger et stocker efficacement la lumière afin de permettre une forte interaction lumière-matière. Maintenant, ils exploitent les BIC pour faire la démonstration de nouveaux types de lasers. L'équipe a publié le travail le 12 janvier dans La nature .
Des chercheurs de l'UC San Diego font la démonstration du premier laser utilisant des états liés dans le continuum (BIC). De gauche à droite :Yeshaiahu Fainman, Boubacar Kanté, Ashok Kodigala et Babak Bahari. Crédit:UC San Diego Jacobs School of Engineering
Fabriquer le laser BIC
Le laser BIC dans ce travail est construit à partir d'une fine membrane semi-conductrice en indium, gallium, l'arsenic et le phosphore. La membrane est structurée comme un réseau de cylindres de taille nanométrique suspendus dans l'air. Les cylindres sont reliés entre eux par un réseau de ponts porteurs, qui assurent la stabilité mécanique de l'appareil.
En alimentant la membrane avec un faisceau laser haute fréquence, les chercheurs ont incité le système BIC à émettre son propre faisceau laser à basse fréquence (à une fréquence de télécommunication).
"À l'heure actuelle, il s'agit d'une démonstration de preuve de concept que nous pouvons effectivement réaliser une action lasante avec les BIC, ", a déclaré Kanté.
"Et ce qui est remarquable, c'est que nous pouvons faire en sorte que le laser de surface se produise avec des matrices aussi petites que 8 × 8 particules, " dit-il. En comparaison, les lasers de surface largement utilisés dans les communications de données et la détection de haute précision, appelés VCSEL (lasers à émission de surface à cavité verticale), ont besoin de matrices beaucoup plus grandes (100 fois) - et donc de plus de puissance - pour obtenir le laser.
« Le populaire VCSEL pourrait un jour être remplacé par ce que nous appelons l'état lié « BICSEL » dans le laser continu à émission de surface, ce qui pourrait conduire à des appareils plus petits qui consomment moins d'énergie, " a déclaré Kanté. L'équipe a déposé un brevet pour le nouveau type de source lumineuse.
Le réseau peut également être agrandi pour créer des lasers de haute puissance pour les applications industrielles et de défense, il a noté. "Un défi fondamental dans les lasers de haute puissance est le chauffage et avec les efficacités prévues de nos lasers BIC, une nouvelle ère des technologies laser peut devenir possible, ", a déclaré Kanté.
La prochaine étape de l'équipe est de fabriquer des lasers BIC alimentés électriquement, plutôt que optiquement alimenté par un autre laser. « Un laser à pompage électrique est facilement transportable à l'extérieur du laboratoire et peut fonctionner avec une source de batterie conventionnelle, ", a déclaré Kanté.
