Microlasers à température ambiante

Les scientifiques ont créé le plus petit laser jamais capable de fonctionner à température ambiante. L'appareil mesure moins d'un micron cube, soit moins que la longueur d'onde de la lumière qu'il émet. C'est le premier laser à sous-longueur d'onde qui ne nécessite pas de refroidissement cryogénique.

Précision laser : L'étudiante diplômée Olesya Bondarenko inspecte l'outil de dépôt par pulvérisation utilisé pour appliquer une couche d'aluminium sur les microlasers sous-longueurs d'onde.

Yeshaiahu Fainman , responsable du groupe d'optique ultrarapide et nanométrique de l'Université de Californie à San Diego, qui a dirigé les travaux, a déclaré qu'il devrait être possible de regrouper les microlasers à proximité les uns des autres sans interférence entre les appareils. Cela ouvre la voie, entre autres, à des dispositifs de communication optique plus rapides qui utilisent des lasers sous-longueurs d'onde dans des réseaux denses.

Les chercheurs ont modifié ce qu'on appelle un laser à microdisque. Dans ce type de laser, un disque microscopique contenant différents matériaux est pompé optiquement par un laser plus gros. Cela stimule son noyau semi-conducteur à émettre de la lumière, qui rebondit sur les bords du disque avant d'être libérée. L'ajout de métal à ce disque peut empêcher le laser de se comporter d'une manière qui interférerait avec d'autres appareils à proximité. Mais cela réduit l'efficacité du laser, et jusqu'à présent, le seul moyen de contrer cette perte de performances était de le refroidir cryogéniquement à environ 77 degrés Kelvin (-196 degrés Celsius) en utilisant de l'azote liquide, ce qui est loin d'être pratique.

Fainman, en collaboration avec le postdoctorant Maziar Nezhad et d'autres collègues de l'UCSD, a trouvé un moyen plus simple d'améliorer l'efficacité de leur laser et de supprimer le besoin de refroidissement. Ils ont ajouté une couche de silice, suivie d'une couche d'aluminium autour d'une cavité laser en phosphure d'arséniure d'indium et de gallium. La couche métallique externe agit comme un bouclier, isolant le laser des autres appareils et agissant comme un dissipateur thermique très efficace. La couche de silice empêche le métal de réduire l'efficacité globale des lasers.

L'aluminium a été choisi car ses propriétés optiques le rendent hautement réfléchissant. Mais la clé pour le faire fonctionner réside dans le contrôle précis de l'épaisseur de la couche de silice qui sépare le métal du noyau semi-conducteur, explique Fainman. Si la couche est trop mince, le blindage métallique interagira trop fortement avec le champ optique, entraînant des pertes élevées.

Il s'agit d'un travail très excitant qui introduit des avancées importantes dans le nouveau domaine des nanolasers, déclare Naomi Halas, professeur Stanley C. Moore de génie électrique et informatique à l'Université Rice et directeur du Laboratoire de nanophotonique de l'Université. L'utilisation de couches métalliques et de géométries de conception intelligentes a permis à ce groupe de commencer à affiner ces structures, ce qui élargira la manière dont ces dispositifs sont utilisés dans les systèmes de communication.

Dans un article publié dans la revue Photonique de la nature , le groupe UCSD montre que son laser peut produire des émissions avec une longueur d'onde de 1,43 micron à température ambiante. Le groupe a reçu un financement de la National Science Foundation ainsi que de la DARPA Architectures à l'échelle nanométrique pour des sources hyper-optiques cohérentes programme.

En théorie, l'efficacité du laser pourrait être encore améliorée en utilisant d'autres métaux qui ont des propriétés optiques encore plus favorables, comme l'argent ou l'or, explique Fainman.

Un défi plus important consiste à trouver un moyen d'intégrer pleinement les lasers dans des dispositifs optoélectroniques, en remplaçant la pompe optique complexe par une pompe électrique. Le pompage électrique serait plus souhaitable, car il est beaucoup plus efficace, dit Richard De La Rue , professeur d'optoélectronique à l'Université de Glasgow, au Royaume-Uni.

Outre les communications à grande vitesse, les lasers à longueur d'onde inférieure pourraient trouver des applications dans l'imagerie biomédicale et la microscopie optique en champ proche, explique Fainman. Dans ce dernier cas, il est difficile de balayer mécaniquement des lasers sur une surface, dit-il, donc l'objectif serait de créer un réseau de sources lumineuses qui seraient balayées électriquement plutôt que mécaniquement.

Halas dit que le travail est également important sur le plan scientifique. Ils exploitent un régime où la conception de la cavité peut modifier les propriétés du milieu à gain, ce qui introduit en fait une toute nouvelle façon de penser aux lasers, dit-elle.

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