Echte lasers definiëren: wanneer nanolasers aan laser criteria voldoen

In de afgelopen paar jaar zijn nanolasers opgedoken als een nieuw soort lichtbron met een grootte van ongeveer een miljardste van een meter. De unieke eigenschappen onderscheiden het van macroscopische lasers.

Het ontwerp van nanolasers is erg vergelijkbaar met dat van traditionele heterostructuur-gebaseerde halfgeleiderlasers. Echter, hun caviteiten zijn extreem klein: op de orde van de lichtgolfengte (infrarood en zichtbaar licht).

In de komende jaren zullen nanolasers gebruikt worden in geïntegreerde optische circuits om de prestaties van GPU's en CPU's te verhogen, en internetverbindingssnelheden via glasvezel met meerdere ordegroottes te verbeteren. Het kan ook geïntegreerd worden met technieken die gebruikt worden om neuronale activiteit in levende organismen te controleren.

Coherentie bereiken in nanolasers

Er is één groot probleem met nanolasers: we weten niet op welk punt (stroom) de uitvoerstraling coherent wordt. Voor real-world toepassingen is het cruciaal om te differentiëren tussen 2 fasen van de nanolaser: de LED-achtige fase met incoherente output bij lage stromen en de echte lasering-actie met coherente output bij hoge stromen.

Om te kwalificeren als een echte laser, moet de stralingsbron aan een paar vereisten voldoen. De belangrijkste is dat het coherente straling moet uitstoten. Coherentie wordt bereikt boven een punt genaamd de lasing-drempel. Onder deze drempel emiteert de bron spontane straling wat niet anders is dan outputs van traditionele LEDs.

Deze lasing-drempel kan bepaald worden door de relatie tussen pompstroom en outputvermogen te analyseren (figuur 1A). Echter, sommige apparaten vertonen geen speciale kenmerken (rode lijn in figuur 1b), wat het erg moeilijk maakt de drempelwaarde in de pompstroom versus outputvermogen-curve te bepalen. Dit type nanolasers heet 'drempelloos'.

Nieuwe formule voor direct meten van coherentie

Coherent licht gegenereerd door nanolasers is moeilijk te meten omdat het delicatie instrumenten vereist om intensiteitsfluctuaties op miljardsten van een milliseconde vast te leggen.

Wetenschappers van het Moskou Instituut voor Fysica en Technologie ontdekten een methode om dergelijke moeilijke metingen uit te voeren. Het omvat het kwantificeren van de coherentie van nanolaserstraling met behulp van de hoofdfaserparameters.

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

De methode kan gebruikt worden om de drempelstroom voor bijna alle nanolasers te bepalen, inclusief 'drempelloze' nanolasers, die een duidelijke drempelwaarde hebben die de lasing- en LED-fasen scheidt. De straling uitgegooid door nanolasers is coherent boven deze drempelstroom en incoherent eronder.

Eerder was het bijna onmogelijk om coherente straling te verkrijgen door de zelfverhittende aard van nanolasers. Daarom is het onderscheiden van de echte lasing-drempel van de illusoire cruciaal.

Om dit te doen, ontwikkelden onderzoekers een eenvoudige formule die universeel toegepast kan worden op alle nanolasers. Door deze formule te gebruiken samen met input-output parameters (figuur 2), kunnen natuurkundigen snel de drempelwaarde van elke structuur die ze bouwen bepalen.

Deze nieuwe studie maakt het makkelijk om van tevoren te voorspellen bij welke pompstroom de nanolaser coherente straling zal opleveren, ongeacht het ontwerp. Dit zal natuurkundigen helpen nanolasers te ontwerpen en bouwen met vooraf bepaalde karakteristieken en gegarandeerde coherentie.