Les lasers sont largement utilisés dans les appareils ménagers, Médicament, industrie, télécommunications et plus encore. Il y a plusieurs années, les scientifiques ont introduit les nanolasers. Leur conception est similaire à celle des lasers à semi-conducteurs classiques à base d'hétérostructures d'usage courant depuis plusieurs décennies. La différence est que les cavités des nanolasers sont extrêmement petites, de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière qu'ils émettent. Comme ils génèrent principalement de la lumière visible et infrarouge, la taille est de l'ordre du millionième de mètre.

Les nanolasers ont des propriétés uniques remarquablement différentes de celles des lasers macroscopiques. Cependant, il est quasiment impossible de déterminer à quel courant le rayonnement de sortie du nanolaser devient cohérent; en outre, pour des applications pratiques, il est important de distinguer les deux régimes du nanolaser :la véritable action laser avec un rendement cohérent aux forts courants, et le régime de type LED avec une sortie incohérente à faibles courants. Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont développé une méthode pour déterminer dans quelles circonstances les nanolasers sont considérés comme de véritables lasers. La recherche a été publiée dans Optique Express .

Dans le futur proche, des nanolasers seront incorporés dans des circuits optiques intégrés, lorsqu'elles sont nécessaires pour une nouvelle génération d'interconnexions à haut débit basées sur des guides d'ondes photoniques, ce qui augmenterait les performances des CPU et GPU de plusieurs ordres de grandeur. D'une manière similaire, l'avènement de l'internet par fibre optique a amélioré les vitesses de connexion, tout en augmentant l'efficacité énergétique.

Et ce n'est de loin pas la seule application possible des nanolasers. Les chercheurs développent déjà des capteurs chimiques et biologiques, à peine des millionièmes de mètre de large, et des capteurs de contraintes mécaniques aussi minuscules que plusieurs milliardièmes de mètre. Les nanolasers devraient également être utilisés pour contrôler l'activité des neurones dans les organismes vivants, y compris les humains.

Pour qu'une source de rayonnement soit considérée comme un laser, il doit remplir un certain nombre d'exigences, le principal étant qu'il doit émettre un rayonnement cohérent. Une propriété distinctive étroitement associée à la cohérence est la présence d'un seuil dit laser. Aux courants de pompe inférieurs à cette valeur seuil, le rayonnement de sortie est principalement spontané et ne diffère pas dans ses propriétés de la sortie des diodes électroluminescentes (DEL) conventionnelles. Mais une fois le courant de seuil atteint, le rayonnement devient cohérent. À ce point, le spectre d'émission d'un laser macroscopique conventionnel se rétrécit et sa puissance de sortie augmente. Cette dernière propriété permet de déterminer facilement le seuil d'effet laser, à savoir, en étudiant comment la puissance de sortie varie avec le courant de la pompe (figure 1A).

De nombreux nanolasers se comportent comme leurs homologues macroscopiques conventionnels, présentant un courant de seuil. Cependant, pour certains appareils, un seuil laser ne peut pas être localisé en analysant la courbe de puissance de sortie en fonction du courant de pompe, car il n'a pas de particularités et n'est qu'une ligne droite sur l'échelle log-log (ligne rouge sur la figure 1B). De tels nanolasers sont dits « sans seuil ». Cela pose la question :A quel courant leur rayonnement devient-il cohérent, ou laser ?

La façon évidente de répondre à cela est de mesurer la cohérence. Cependant, contrairement au spectre d'émission et à la puissance de sortie, la cohérence est très difficile à mesurer dans le cas des nanolasers, car cela nécessite un équipement capable d'enregistrer des fluctuations d'intensité à des billions de seconde, qui est l'échelle de temps sur laquelle les processus internes dans un nanolaser se produisent.

Andrey Vyshnevyy et Dmitry Fedyanin de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont trouvé un moyen de contourner les mesures de cohérence directe techniquement difficiles. Ils ont développé une méthode qui utilise les principaux paramètres laser pour quantifier la cohérence du rayonnement nanolaser. Les chercheurs affirment que leur technique permet de déterminer le courant de seuil pour n'importe quel nanolaser (figure 1B). Ils ont découvert que même un nanolaser « sans seuil » a en fait un courant de seuil distinct séparant les régimes LED et laser. Le rayonnement émis est incohérent en dessous de ce courant seuil et cohérent au dessus.

Étonnamment, le courant de seuil d'un nanolaser s'est avéré n'être lié en aucune façon aux caractéristiques de la caractéristique de sortie ou au rétrécissement du spectre d'émission, qui sont des signes révélateurs du seuil laser dans les lasers macroscopiques. La figure 1B montre clairement que même si un pli bien prononcé est observé dans la caractéristique de sortie, la transition vers le régime laser se produit à des courants plus élevés. C'est ce que les scientifiques du laser ne pouvaient pas attendre des nanolasers.

"Nos calculs montrent que dans la plupart des articles sur les nanolasers, le régime laser n'a pas été atteint. Malgré les recherches effectuant des mesures au-dessus du pli dans la caractéristique de sortie, l'émission nanolaser était incohérente, puisque le seuil laser réel était des ordres de grandeur au-dessus de la valeur de pliage, " Dmitry Fedyanin dit. "Très souvent, il était tout simplement impossible d'obtenir une sortie cohérente en raison de l'auto-échauffement du nanolaser, " ajoute Andrey Vyshnevyy.

Par conséquent, il est très important de distinguer le seuil laser illusoire du seuil réel. Bien que les mesures de cohérence et les calculs soient difficiles, Vyshnevyy et Fedyanin ont proposé une formule simple qui peut être appliquée à n'importe quel nanolaser. En utilisant cette formule et la caractéristique de sortie, Les ingénieurs nanolaser peuvent désormais mesurer rapidement le courant de seuil des structures qu'ils créent (voir figure 2).

Les résultats rapportés par Vyshnevyy et Fedyanin permettent de prédire à l'avance à quel moment le rayonnement d'un nanolaser, quelle que soit sa conception, devient cohérent. Cela permettra aux ingénieurs de développer de manière déterministe des lasers nanométriques avec des propriétés prédéterminées et une cohérence garantie.