Des scientifiques de l’Université de Varsovie, de l’Université militaire de technologie et de l’Université de Southampton ont présenté un nouveau type de microlaser accordable émettant deux faisceaux. « Ces faisceaux sont polarisés circulairement et dirigés selon des angles différents », explique le prof. Jacek Szczytko de la Faculté de Physique de l’Université de Varsovie. Cette réalisation a été obtenue en créant l’hélice dite à spin persistant à la surface de la microcavité. Les résultats ont été publiés dans Examen physique appliqué.
Pour obtenir cet effet, les scientifiques ont rempli la microcavité optique avec un cristal liquide dopé avec un colorant laser organique. La microcavité est constituée de deux miroirs parfaits placés à proximité l’un de l’autre – à une distance de 2-3 microns – de sorte qu’une onde électromagnétique stationnaire se forme à l’intérieur. L’espace entre les miroirs était rempli d’un support optique spécial – le cristal liquide – qui était en outre organisé à l’aide d’un revêtement miroir spécial.
« La caractéristique des cristaux liquides sont leurs molécules allongées et, au sens figuré, ils étaient » peignés « à la surface des miroirs et pouvaient se dresser sous l’influence d’un champ électrique externe, transformant également d’autres molécules remplissant la cavité », explique premier auteur, Marcin Muszynski, de la Faculté de Physique de l’Université de Varsovie.
La lumière dans la cavité interagit avec les molécules de différentes manières lorsque le champ électrique de l’onde se propageant oscille le long des molécules et lorsque les oscillations leur sont perpendiculaires. Le cristal liquide est un milieu biréfringent – il peut être caractérisé par deux indices de réfraction, qui dépendent de la direction des oscillations du champ électrique (c’est-à-dire la polarisation dite des ondes électromagnétiques).
L’arrangement précis des molécules à l’intérieur de la microcavité laser, obtenu à l’Université militaire de technologie, a entraîné l’apparition de deux modes de lumière polarisés linéairement dans la cavité, c’est-à-dire deux ondes lumineuses stationnaires avec des polarisations linéaires opposées. Le champ électrique a modifié l’orientation des molécules à l’intérieur de la cavité optique, ce qui a modifié l’indice de réfraction effectif des couches de cristaux liquides. Ainsi, il contrôlait la longueur du soi-disant chemin optique de la lumière – le produit de la largeur de la cavité et de l’indice de réfraction dont dépend l’énergie (couleur) de la lumière émise. L’un des modes ne changeait pas d’énergie lorsque les molécules tournaient, tandis que l’énergie de l’autre augmentait lorsque l’orientation des molécules changeait.
En stimulant optiquement le colorant organique placé entre les molécules du cristal liquide, on a obtenu un effet lasing – un rayonnement lumineux cohérent avec une énergie strictement définie. La rotation progressive des molécules de cristal liquide a conduit à des propriétés inattendues de ce laser. Le laser a été réalisé pour ce mode accordable : le laser a émis un faisceau polarisé linéairement perpendiculaire à la surface des miroirs. L’utilisation de cristaux liquides a permis un réglage en douceur de la longueur d’onde de la lumière avec le champ électrique jusqu’à 40 nm.
« Cependant, lorsque nous avons fait tourner les molécules de cristaux liquides de sorte que les deux énergies des modes – celui sensible à l’orientation des molécules et celui qui n’a pas changé d’énergie – se chevauchent (c’est-à-dire qu’ils étaient en résonance), la lumière émise de la cavité a soudainement changé sa polarisation de linéaire à deux circulaires : droitier et gaucher, les deux polarités circulaires se propageant dans des directions différentes, à un angle de plusieurs degrés », explique le professeur Jacek Szczytko, de la Faculté de physique du Université de Varsovie.
La cohérence de phase du laser a été confirmée de manière intéressante. « La soi-disant hélice à spin persistant – un motif de bandes avec une polarisation différente de la lumière, espacées de 3 microns – est apparue à la surface de l’échantillon. Des calculs théoriques montrent qu’un tel motif peut être formé lorsque deux faisceaux de polarisation opposée sont cohérents en phase et les deux modes de lumière sont indissociables – ce phénomène est comparé à l’intrication quantique », explique Marcin Muszynski.
Jusqu’à présent, le laser fonctionnait par impulsions car le colorant organique qui était utilisé se photodégradait lentement sous l’influence d’une lumière intense. Les scientifiques espèrent que le remplacement de l’émetteur organique par des polymères ou des matériaux inorganiques plus durables (par exemple, les pérovskites) permettra une durée de vie plus longue.
« Le laser accordable avec précision obtenu peut être utilisé dans de nombreux domaines de la physique, de la chimie, de la médecine et de la communication. Nous utilisons des phénomènes non linéaires pour créer un réseau neuromorphique entièrement optique. Cette nouvelle architecture photonique peut fournir un puissant outil d’apprentissage automatique pour résoudre des classifications et des inférences complexes. problèmes, et pour traiter de grandes quantités d’informations avec une vitesse et une efficacité énergétique croissantes », ajoute le professeur Barbara Pietka, de la faculté de physique UW.
Marcin Muszyński et al, Réalisation d’un laser à hélice de spin persistant dans le régime du couplage spin-orbite de Rashba-Dresselhaus dans une microcavité optique à cristaux liquides remplie de colorant, Examen physique appliqué (2022). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.17.014041