Le diamant est un matériau particulièrement intéressant pour ce type de laser pour deux raisons principales. Sa conductivité thermique élevée permet de réaliser des lasers miniatures qui présentent à la fois une stabilité élevée et une puissance élevée. La vitesse du son est également beaucoup plus élevée par rapport à d'autres matériaux. Cela donne au laser une capacité secondaire de synthétiser directement les fréquences dans la bande d'ondes millimétriques difficile à atteindre.

Dans un article publié dans Lettres de Physique Appliquée Photonique cette semaine, les chercheurs montrent que l'interaction lumière-son est particulièrement forte dans le diamant, et ont fait la démonstration du premier laser Brillouin de paillasse qui utilise du diamant.

Ce résultat est une percée car il offre une approche très pratique des lasers Brillouin avec une gamme de performances considérablement augmentée. Contrairement aux lasers Brillouin antérieurs, la version diamant fonctionnait sans avoir à confiner les ondes optiques ou sonores dans un guide d'ondes pour améliorer l'interaction. Cela signifie que les lasers Brillouin peuvent être dimensionnés plus facilement et avec une flexibilité beaucoup plus grande pour contrôler les propriétés du laser ainsi que pour augmenter la puissance.

Le diamant offre une nouvelle façon de commencer à exploiter les propriétés uniques des lasers Brillouin. Seule une très petite quantité d'énergie perdue est déposée dans le matériau porteur du son. Cela conduit à une multitude de fonctionnalités, notamment la génération de faisceaux avec une fréquence de sortie ultra-pure et stable, la génération de nouvelles fréquences, et potentiellement, lasers avec une efficacité exceptionnellement élevée.

Rich Mildren, de l'Université Macquarie, a déclaré : « Ce développement ouvre une nouvelle voie vers des lasers à haute puissance extrêmement efficaces et dotés de propriétés de fréquence exquises telles que le bruit de phase faible et la largeur de ligne étroite. Ce sont des propriétés nécessaires pour les applications qui exigent les normes de bruit les plus élevées. propriétés de fréquence libre, comme la détection ultra-sensible des ondes gravitationnelles ou la manipulation de grands réseaux de qubits dans les ordinateurs quantiques."

Un autre résultat révolutionnaire est que le diamant peut synthétiser des fréquences très pures au-delà de la bande des micro-ondes. En raison de la très grande vitesse du son dans le diamant, soit 18 km/s, l'espacement des fréquences entre le faisceau de pompage d'entrée et la ligne laser est plusieurs fois plus élevé que dans d'autres matériaux. Cette propriété peut être utilisée pour générer des fréquences dans la bande des ondes millimétriques (30-300 GHz) en utilisant une technique appelée photo-mélange. La synthèse laser Brillouin de ces fréquences est importante car il existe un mécanisme intrinsèque qui réduit le bruit de fréquence aux niveaux requis par les radars de nouvelle génération et les systèmes de communication sans fil. Cela a été un défi majeur pour l'électronique ou d'autres systèmes de génération basés sur la photonique.

Jusqu'à présent, les travaux ont quantifié la force de l'interaction lumière-son dans le diamant, un paramètre fondamental pour prédire la conception et les performances futures. Il a également démontré un appareil pratique avec plus de 10 W de puissance.

Dr Zhenxu Bai, diriger un doctorat étudiant sur le projet, dit « Nous pouvons maintenant commencer à réfléchir à la conception des lasers Brillouin d'une nouvelle manière, plutôt que comme un phénomène limité aux petites structures à ondes guidées ou comme un effet néfaste dans les lasers à fibre."

Les auteurs concentrent leurs futurs travaux sur l'élargissement de la gamme de capacités laser en démontrant des lasers avec les niveaux plus élevés de pureté de fréquence et de puissance nécessaires pour soutenir les progrès futurs de la science quantique, communications et détection sans fil.