Onder welke voorwaarden kwalificeren nanolasers zich als echte lasers?

• Samenhangend licht gegenereerd door nanolasers is moeilijk te meten.
• Onderzoekers ontdekken een methode om zulke uitdagende metingen uit te voeren.
• Ze ontwikkelen een eenvoudige formule om erachter te komen onder welke omstandigheden nanolasers kwalificeren als echte lasers.

In de afgelopen jaren zijn nanolasers naar voren gekomen als een nieuw soort lichtbron met een grootte van ongeveer een miljardste meter. Zijn unieke eigenschappen onderscheiden hem van macroscopische lasers.

Het ontwerp van nanolasers lijkt sterk op dat van traditionele op heterostructuur gebaseerde halfgeleiderlasers. Hun holtes zijn echter extreem klein:op de grootte van de lichtgolflengte (infrarood en zichtbaar licht).

De komende jaren zullen nanolasers worden gebruikt in geïntegreerde optische schakelingen om de prestaties van GPU's en CPU's te verhogen en de snelheden van internetverbindingen via glasvezel met meerdere ordes van grootte te verhogen. Het kan ook worden opgenomen in technieken die worden gebruikt om de activiteit van neuronen in levende organismen te beheersen.

Samenhang bereiken in nanolasers

Er is één groot probleem met nanolasers:we weten niet op welk punt (stroom) de uitgangsstraling coherent wordt. Voor toepassingen in de echte wereld is het cruciaal om onderscheid te maken tussen 2 fasen van de nanolaser:de LED-achtige fase met onsamenhangende output bij lage stromen en de echte laserwerking met coherente output bij hoge stromen.

Om als echte laser te kwalificeren, moet de stralingsbron aan een aantal eisen voldoen. De belangrijkste is dat het coherente straling moet uitstoten. Coherentie wordt bereikt boven een punt dat de laserdrempel wordt genoemd. Beneden dit punt zendt de bron spontane straling uit die niet anders is dan de output van traditionele LED's.

Deze laserdrempel kan worden bepaald door de relatie tussen pompstroom en uitgangsvermogen te analyseren (figuur 1A). Sommige apparatuur vertoont echter geen speciale kenmerken (rode lijn in figuur 1b), waardoor het erg moeilijk is om de drempelwaarde in de pompstroom versus uitgangsvermogencurve te bepalen. Dit type nanolasers wordt 'drempelloos' genoemd.

Nieuwe formule om coherentie direct te meten

Coherent licht dat door nanolasers wordt gegenereerd, is moeilijk te meten omdat er delicate instrumenten voor nodig zijn om intensiteitsfluctuaties van miljardsten van een milliseconde vast te leggen.

Wetenschappers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie hebben een methode ontdekt om zulke moeilijke metingen uit te voeren. Het gaat om het kwantificeren van de coherentie van nanolaserstraling met behulp van de belangrijkste laserparameters.

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

De methode kan worden gebruikt om de drempelstroom vast te stellen voor bijna alle nanolasers, inclusief 'drempelloze' nanolasers, die een duidelijke drempelwaarde hebben die de laser- en LED-fasen isoleert. De straling die door nanolasers wordt uitgestoten, is coherent boven deze drempelstroom en onsamenhangend daaronder.

Voorheen was het bijna onmogelijk om coherente straling te verkrijgen vanwege de zelfverhitting van nanolasers. Het onderscheiden van de werkelijke laserdrempel van de illusoire is dus vrij cruciaal.

Om dit te doen, ontwikkelden onderzoekers een eenvoudige formule die universeel kan worden gebruikt voor alle nanolasers. Door gebruik te maken van deze formule, samen met input-outputparameters (figuur 2), kunnen natuurkundigen snel de drempelwaarde bepalen van elke structuur die ze bouwen.

Lezen:Bestaande lasertechnologie is sterk genoeg om buitenaardse wezens op 20.000 lichtjaar afstand aan te trekken

Deze nieuwe studie maakt het gemakkelijk om (vooraf) te voorspellen bij welke pompstroom de nanolaser coherente straling zal produceren, ongeacht het ontwerp. Dit zal natuurkundigen helpen bij het ontwerpen en bouwen van nanolasers met vooraf bepaalde kenmerken en gegarandeerde samenhang.