Creato un nuovo laser a semiconduttore monomodale: ridimensionamento simultaneo di alta potenza e dimensione
I ricercatori dell'Università della California, Berkeley (UC Berkeley) hanno recentemente sviluppato un nuovo tipo di laser a semiconduttore chiamato BerkSEL. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature il 29 giugno.
Schema del Berkley Surface Emission Laser (BerkSEL), con il raggio della pompa in blu e il raggio laser in rosso.
L'aumento simultaneo delle dimensioni e della potenza dei laser monomodali è stata una sfida nell'ottica sin dalla costruzione del primo laser nel 1960. E questo lavoro mostra che le dimensioni non devono necessariamente andare a scapito della coerenza, che consente ai laser di essere più potenti e stabile e copre distanze maggiori in molte applicazioni.
Un team di ricercatori guidato da Boubacar Kanté, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica (EECS) presso l'Università della California, a Berkeley, e scienziati della divisione di scienza dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, hanno dimostrato un film semiconduttore con perforazioni distanziate e di dimensioni identiche che possono fungere da cavità laser scalabile. I risultati mostrano che il raggio laser emette una singola lunghezza d'onda costante indipendentemente dalle dimensioni di questa cavità laser.
Nei laser convenzionali, la luce direzionale coerente a lunghezza d'onda singola inizia a rompersi man mano che la cavità laser aumenta di dimensioni. La soluzione standard consiste nell'utilizzare un meccanismo esterno come una guida d'onda per amplificare il raggio, tuttavia, questo occupa molto spazio. Eliminando la necessità di amplificazione esterna, i ricercatori possono ora ridurre le dimensioni e aumentare l'efficienza dei chip dei computer e di altri componenti dipendenti dal laser.
Questo lavoro è particolarmente rilevante per la tecnologia del laser a emissione di superficie a cavità verticale (VCSEL). In VCSELS, la luce viene emessa verticalmente dalla superficie superiore del chip. i VCSEL sono in genere larghi solo pochi micron e l'attuale strategia utilizzata per aumentare la loro potenza è raggruppare centinaia di singoli VCSEL insieme. Poiché i laser sono indipendenti, hanno fasi e lunghezze d'onda diverse, quindi i loro poteri non si combinano in modo coerente, il che è accettabile in applicazioni come il riconoscimento facciale, ma completamente impraticabile in applicazioni in cui la precisione è fondamentale, come le comunicazioni o la chirurgia.
Il design del laser "BerkSEL" sviluppato presso la UC Berkeley rende possibile un'emissione di luce monomodale più efficiente, basata principalmente sulle proprietà fisiche della luce che passa attraverso i fori nei film sottili. Il film che hanno sviluppato è un fosfuro di arseniuro di gallio indio di 200-spessore nm (un semiconduttore comunemente usato nelle fibre ottiche e nella tecnologia delle telecomunicazioni). I ricercatori osservano che questi fori regolari sono incisi dalla fotolitografia e devono avere una dimensione, una forma e una distanza fisse: sono in grado di agire come punti di Dirac, una caratteristica topologica dei materiali bidimensionali basata sulla dispersione lineare dell'energia.
Inoltre, poiché la fase della luce che si propaga da un punto all'altro è uguale all'indice di rifrazione moltiplicato per la distanza percorsa. Poiché l'indice di rifrazione è zero nel punto di Dirac, la luce emessa da diverse parti del semiconduttore è esattamente nella stessa fase ed è quindi otticamente identica. Walid Redjem, co-autore principale dello studio e borsista post-dottorato EECS, ha dichiarato: "Il film nel nostro studio ha circa 3,000 buchi, ma in teoria potrebbe avere un milione o un miliardo di buchi e il risultato sarebbe lo stesso".
I ricercatori ora utilizzano un laser pulsato ad alta energia per pompare otticamente e alimentare il dispositivo BerkSEL e misurare l'emissione da ciascuna apertura utilizzando un microscopio confocale ottimizzato per la spettroscopia nel vicino infrarosso. Regolando le specifiche di progettazione come la dimensione dell'apertura e il materiale del semiconduttore, i laser a semiconduttore "BerkSELs" possono emettere a diverse lunghezze d'onda target.
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