Des scientifiques réalisent un laser à phonons et à photons dans des cavités optomécaniques

Depuis l’introduction du premier laser à rubis – un laser à semi-conducteurs qui utilise le cristal de rubis synthétique comme support laser – en 1960, l’utilisation des lasers s’est considérablement développée dans les domaines scientifique, médical et industriel.

Avec les progrès de la science et de la technologie, les lasers à largeur de raie extrêmement étroite sont devenus la clé de la recherche dans les domaines scientifiques de pointe. Le programme très attendu de détection des ondes gravitationnelles Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) aux États-Unis, par exemple, a des exigences extrêmement strictes en matière de cohérence des lasers. Alors que les lasers Brillouin ont un grand potentiel pour de telles applications en raison de leur effet de rétrécissement de la largeur de raie, le seuil laser des lasers Brillouin sur puce est élevé en raison de la perte intrinsèque du guide d’ondes Brillouin et du grand volume de mode.

Pour contourner ce problème, une équipe du laboratoire de nano-optoélectronique dirigée par le professeur Yidong Huang de l’Université de Tsinghua propose un phénomène de laser à photons à diffusion similaire se produisant dans une microcavité optomécanique, ce qui peut aider à réaliser un nouveau laser à largeur de raie étroite sur puce avec un laser inférieur. seuil.

« Le nouveau laser peut être obtenu à partir d’un cristal optomécanique unidimensionnel avec une excitation photonique et phononique dans une taille de puce de quelques dizaines de microns par un petit seuil de pompe de seulement 500 microwatts », partage le professeur agrégé Kaiyu Cui, chercheur impliqué dans l’étude.

L’équipe a observé que la largeur de raie du nouveau laser était réduite de quatre ordres de grandeur à 5,4 kHz après l’émission de phonons à 6,2 GHz. Ce laser à phonons hautement cohérent a des applications importantes dans des domaines tels que la détection de masse de haute précision, la détection spectrale et le traitement du signal. Dans le même temps, le photon excité présente également un effet de seuil significatif, qui peut être appliqué dans la conversion de longueur d’onde cohérente.

Notamment, réaliser un laser photon et phonon simultané dans des cristaux optomécaniques unidimensionnels n’est pas une mince affaire. Des nanostructures périodiquement alignées sont nécessaires pour confiner à la fois les ondes lumineuses et mécaniques dans un très petit volume par un mécanisme physique connu sous le nom de modes de défaut. Ce n’est qu’alors que les photons et les phonons localisés à l’intérieur de la microcavité pourraient subir un fort couplage énergétique, permettant ainsi un laser cohérent à très faible puissance de pompage.

Néanmoins, l’équipe a réussi à fabriquer des cristaux optomécaniques unidimensionnels sur une puce de silicium en utilisant la lithographie par faisceau d’électrons. Lorsque la puissance de pompe incidente a dépassé le seuil, un effet laser significatif a été observé sur le spectromètre. En effet, les résultats expérimentaux correspondaient à ceux des attentes théoriques.

Les chercheurs ont publié leurs dernières découvertes, qui pourraient ouvrir la voie aux lasers photoniques et phononiques à base de silicium pour répondre au besoin urgent de nouvelles technologies laser, dans la revue Recherche fondamentale.

« Dans les cristaux optomécaniques, des équations non linéaires peuvent être utilisées pour décrire le comportement des photons et des phonons. Étant donné que les systèmes non linéaires ne peuvent pas être résolus analytiquement en général, la plupart des études précédentes ont été menées sur la base d’équations linéarisées », explique le professeur Huang.

« Sur la base de nos découvertes, nous proposons que les équations non linéaires puissent être analysées directement au moyen de la théorie du cycle limite, qui donne la première formulation analytique de la largeur de raie laser sous l’effet du bruit de phase. »