Des chercheurs américains ont produit des lasers qui devraient pouvoir atteindre des puissances arbitrairement élevées tout en conservant leur pureté de fréquence. Leur invention, qui s'appuie sur un analogue de la physique des électrons dans un semi-conducteur Dirac tel que le graphène, résout un problème remontant à l'invention du laser. Les chercheurs pensent que leurs travaux pourraient également inspirer des découvertes théoriques fondamentales en mécanique quantique à des échelles macroscopiques.
Tout laser comprend fondamentalement deux composants essentiels : une cavité et un milieu de gain – généralement un semi-conducteur, explique Boubacar Kanté de l'Université de Californie à Berkeley – auteur principal d'un article qui paraîtra dans Nature décrivant les lasers. "Le semi-conducteur émet une large gamme de fréquences et la cavité sélectionne la fréquence qui sera amplifiée pour atteindre le seuil laser."
Le problème est que n’importe quelle cavité supportera non seulement une fréquence « fondamentale » d’état fondamental d’un laser, mais également plusieurs états excités à plus haute fréquence. Pomper plus fort la cavité pour augmenter la puissance du laser a inévitablement tendance à exciter ces états de fréquence plus élevée vers le seuil laser. Les lasers de plus grande puissance nécessitent des cavités plus grandes, mais celles-ci prennent en charge un spectre de fréquences plus dense.
Personne ne savait quoi faire à ce sujet
"Si le gain ne chevauche que le fondamental, alors seul le fondamental sera laser, et les gens fabriquent des nanolasers tout le temps sans problème", explique Kanté. « Mais si le mode d’ordre supérieur se rapproche, vous ne pouvez pas faire la distinction entre les deux et ils seront tous deux laser. Il s’agit d’un problème vieux de six décennies : tout le monde le sait et personne ne sait quoi faire. »
Jusqu'à présent, c'est le cas. Si le mode fondamental de la cavité était capable d’absorber toute l’énergie du milieu à gain, ont raisonné les chercheurs, tous les modes d’ordre supérieur seraient supprimés. Le problème dans une cavité laser conventionnelle est que la fonction d’onde de l’état fondamental est maximale au centre de la cavité et tombe à zéro vers les bords. « Dans tout laser émettant en surface, ou dans toute cavité que nous connaissons à ce jour… il n'y a pas d'émission laser [à la fréquence fondamentale] depuis le bord », explique Kanté ; « S’il n’y a pas d’émission laser depuis le bord, vous disposez d’un gain important. Et c’est pour cette raison que le mode du second ordre vit à la limite, et très vite le laser devient multimode. »
Pour contourner ce problème, Kanté et ses collègues ont utilisé des cristaux photoniques. Ce sont des structures périodiques qui, comme les semi-conducteurs électroniques, ont des « bandes interdites » – des fréquences auxquelles elles sont opaques. Comme le graphène en électronique, les cristaux photoniques contiennent généralement des cônes de Dirac dans leurs structures de bandes. Au sommet d’un tel cône se trouve le point de Dirac, où la bande interdite se ferme.
Cristal photonique hexagonal
Les chercheurs ont conçu une cavité laser contenant un réseau cristallin photonique hexagonal ouvert sur les bords, permettant aux photons de s'infiltrer dans l'espace autour du cristal, ce qui signifie que la fonction d'onde n'était pas limitée à zéro à son bord. Le cristal photonique avait un point Dirac à impulsion nulle. Comme l’impulsion est proportionnelle au vecteur d’onde, le vecteur d’onde dans le plan était donc nul. Cela signifie que la cavité supportait effectivement un mode qui était unique sur tout le réseau. À condition que la cavité soit pompée à l’énergie de ce mode, aucune énergie n’est jamais passée dans un autre mode, quelle que soit la taille de la cavité. "Le photon n'a pas d'impulsion dans le plan, il ne lui reste donc plus qu'à s'échapper verticalement", explique Kanté.
Les chercheurs ont fabriqué des cavités comprenant 19, 35 et 51 trous : « Lorsque vous ne pompez pas à la singularité de fréquence de Dirac, vous voyez un rayonnement laser à plusieurs pics », explique Kanté. « À la singularité Dirac, ça ne devient jamais multimode. Le mode plat supprime le gain pour les modes d’ordre supérieur. La modélisation théorique suggère que la conception devrait fonctionner même pour des cavités contenant des millions de trous.
La source topologique émet de la lumière avec des moments angulaires orbitaux élevés et multiples
À l’avenir, Kanté estime que les concepts développés par son équipe pourraient avoir des implications dans l’électronique elle-même et plus généralement dans l’évolutivité de la mécanique quantique au monde macroscopique. « Tout le défi de la science quantique est celui de la mise à l’échelle », dit-il. « Les gens travaillent sur des qubits supraconducteurs, des atomes piégés, des défauts dans les cristaux… la seule chose qu’ils veulent faire, c’est l’échelle. Mon affirmation est que cela a à voir avec la nature fondamentale de l’équation de Schrödinger : lorsque le système est fermé, il n’évolue pas ; si vous voulez que le système évolue, il doit subir des pertes », dit-il.
Liang Feng de l'Université de Pennsylvanie ajoute : « Le laser monomode à large zone est l'un des Saint Graal activement recherché par la communauté des lasers à semi-conducteurs, et l'évolutivité est le mérite le plus critique ». « [Le travail de Kanté] démontre exactement ce que les gens recherchent, et démontre une évolutivité exceptionnelle soutenue par d’excellents résultats expérimentaux. De toute évidence, il reste encore du travail à faire pour transformer cette stratégie, démontrée dans les lasers à pompage optique, en lasers à diodes injectés électriquement viables, mais nous pouvons nous attendre à ce que ces travaux inspirent une nouvelle génération de lasers hautes performances qui peuvent profiter à plusieurs industries révolutionnaires. comme les systèmes de réalité virtuelle et augmentée, les LiDAR, la défense et bien d’autres où les lasers jouent un rôle essentiel.
L'équipe a surnommé son appareil le Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) et l'a décrit dans un version d'aperçu non éditée de leur article qui est actuellement disponible sur le Nature en ligne.
