Une structure de réseau à contraste élevé pour un laser à direction réglable

Les lasers trouvent des applications dans plusieurs domaines allant des télécommunications et de la télédétection à la médecine. Il existe de nombreuses façons de générer une émission laser, ou laser, à partir d’un appareil ou d’un matériau. Par conséquent, il existe de nombreux types de lasers avec différents principes de fonctionnement.

Une méthode émergente et prometteuse pour obtenir un effet laser à haute efficacité énergétique consiste à tirer parti de ce que l’on appelle les « états liés dans le continuum » (BIC). En termes simples, ces états décrivent des ondes qui restent très localisées dans l’espace mais coexistent avec un spectre continu d’ondes non localisées (ondes progressives). Lorsqu’il s’agit de lumière, une onde électromagnétique, les BIC peuvent être réalisés en concevant soigneusement la géométrie d’une structure périodique de confinement.

Bien que les scientifiques aient déjà signalé quelques types de lasers à base de BIC, la plupart d’entre eux ne peuvent émettre un faisceau que dans une direction parfaitement ou presque parfaitement verticale loin de la surface de l’appareil. Cette limitation entrave l’utilisation de tels lasers BIC dans des applications où l’inclinaison du faisceau émis est nécessaire.

Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche de l’Université nationale Yang Ming Chiao Tung (NYCU) à Taïwan a récemment conçu un nouveau dispositif laser BIC dont la direction laser peut être facilement réglée. Leur étude, publiée dans Photonique avancéeétait dirigé par Tien-Chang Lu, professeur émérite au département de photonique de la NYCU.

Selon Lu, l’une des principales raisons qui ont motivé l’équipe à créer ce nouveau laser directionnel était son utilisation potentielle dans les systèmes lidar. « Dans les techniques lidar actuelles, le balayage de la lumière laser est principalement effectué à l’aide de miroirs mécaniques ou microélectromécaniques, qui sont encombrants, coûteux et potentiellement peu fiables dans des conditions routières difficiles », explique-t-il. « De nombreuses personnes s’efforcent de construire un véritable système lidar à semi-conducteurs capable d’éliminer ces miroirs mécaniques, tout en répondant à la demande de capacités d’orientation de faisceau. »

La conception du laser BIC proposée répond précisément à cette demande d’orientabilité du faisceau. Dans leur travail, l’équipe a soigneusement conçu une géométrie de dispositif qui produit le Friedrich-Wintgen BIC (FW-BIC). Ce type de BIC provient du couplage de deux états de résonance (états énergétiques se comportant comme des états liés proches de l’énergie de résonance mais comme des états continus à des énergies éloignées de l’énergie de résonance) résidant dans la même cavité et rayonnant sur le même canal d’émission. La condition principale pour créer FW-BIC est que le rayonnement provenant de ces résonances interfère de manière destructive les uns avec les autres dans la région du champ lointain (c’est-à-dire loin de l’appareil), garantissant que leur énergie est nécessairement piégée dans la cavité. En termes simples, la lumière contenue dans un dispositif laser FW-BIC est fortement confinée et subit très peu d’atténuation dans le temps (impliquant un facteur Q élevé), offrant un environnement parfait pour atteindre les conditions de laser.

Mais comment le FW-BIC aide-t-il à développer un laser directionnel ? Pour le savoir, les chercheurs ont construit une cavité laser à l’aide d’une structure de réseau à contraste élevé suspendue unidimensionnelle qui a donné naissance au FW-BIC. Ils ont constaté que la modification de la géométrie de ce réseau affectait les modes de couplage du FW-BIC et, à son tour, modifiait la direction du faisceau émis. Cette propriété fascinante a fourni un moyen simple de modifier l’angle d’émission avec une grande précision.

« Dans nos expériences, nous avons pu ajuster l’angle d’émission sur une large plage, en particulier de -40° à +40°, qui est le plus grand angle démontré expérimentalement pour les lasers BIC », souligne Lu. « Cette fonctionnalité offre également une plus grande flexibilité et pourrait nous permettre de concevoir un réseau laser pour le laser multi-angle avec un champ de vision allant jusqu’à 80°. Ce serait une fonctionnalité souhaitable pour les applications lidar à semi-conducteurs. »

L’équipe a de grandes attentes pour sa solution d’orientation de faisceau proposée, qui ne nécessite aucun composant passif externe pour moduler l’angle d’émission, et atteint ainsi une efficacité énergétique plus élevée. Espérons que la conception proposée entraînera le développement de systèmes de balayage laser à grande échelle et à haute résolution avec des applications dans le lidar et la détection 3D.