Ouvrir la voie à de nouveaux appareils alimentés par la lumière

Ouvrir la voie à de nouveaux appareils alimentés par la lumière

Les microlasers annulaires sont considérés comme des sources de lumière potentielles pour des applications photoniques, mais ils doivent d’abord être rendus plus puissants. La combinaison de plusieurs microlasers dans un réseau ne résout que la moitié du problème, car cela ajoute des «modes» bruyants à la lumière laser résultante. Maintenant, grâce aux mathématiques derrière la théorie de la supersymétrie, les ingénieurs de Penn ont réalisé un laser monomode à partir d’un tel réseau. En calculant les propriétés nécessaires pour les «superpartenaires» placés autour du tableau principal, ils peuvent annuler les modes supplémentaires indésirables.

Le domaine de la photonique implique l’étude de nouvelles façons de générer et d’exploiter la lumière, comme le nombre d’appareils utilisés dans la vie quotidienne fonctionnant au courant électrique. Alors que les dispositifs photoniques ont le potentiel de transformer le paradigme technologique actuel grâce à une vitesse, une efficacité et une densité d’informations accrues, leur large application est limitée par la taille, la force et la stabilité des sources lumineuses, souvent des lasers, dans ces dispositifs.

Le domaine de la photonique vise à transformer toutes sortes d’appareils électroniques en stockant et en transmettant des informations sous forme de lumière plutôt que d’électricité. Au-delà de la vitesse brute de la lumière, la façon dont l’information peut être superposée dans ses diverses propriétés physiques rend les appareils comme les ordinateurs photoniques et les systèmes de communication attrayants pour les perspectives.

Cependant, avant que de tels dispositifs puissent passer de la théorie à la réalité, les ingénieurs doivent trouver des moyens de rendre leurs sources lumineuses – les lasers – plus petites, plus puissantes et plus stables. Les robots et les véhicules autonomes qui utilisent LiDAR pour la détection optique et les techniques de télémétrie, de fabrication et de traitement des matériaux qui utilisent des lasers, et de nombreuses autres applications poussent également continuellement le domaine de la photonique pour une puissance plus élevée et des sources laser plus efficaces.

Désormais, une équipe de chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l’Université de Pennsylvanie s’est inspirée de concepts à la limite de la physique théorique pour concevoir et construire des tableaux bidimensionnels de microlasers étroitement emballés qui ont la stabilité d’un seul microlaser mais peuvent collectivement atteindre des ordres de grandeur de densité de puissance plus élevés.

Ils ont maintenant publié une étude démontrant leur matrice microlaser supersymétrique dans la revue La science.

L’étude a été dirigée par Liang Feng, professeur agrégé dans les départements de science et génie des matériaux et de génie électrique et des systèmes, avec Xingdu Qiao, Bikashkali Midya et Zihe Gao, membres de son laboratoire. Ils ont collaboré avec les membres du laboratoire Feng Zhifeng Zhang, Haoqi Zhao, Tianwei Wu et Jieun Yim ainsi qu’avec Ritesh Agarwal, professeur au Département de science et génie des matériaux. Natalia M. Litchinitser, professeur de génie électrique et informatique à l’Université Duke, a également contribué à la recherche.

Afin de préserver les informations manipulées par un dispositif photonique, ses lasers doivent être exceptionnellement stables et cohérents. Les lasers dits « monomodes » éliminent les variations bruyantes au sein de leurs faisceaux et améliorent leur cohérence, mais par conséquent, ils sont plus faibles et moins puissants que les lasers qui contiennent plusieurs modes simultanés.

« Une méthode apparemment simple pour obtenir un laser monomode haute puissance », explique Feng, « consiste à coupler plusieurs lasers monomodes identiques pour former un réseau laser. Intuitivement, ce réseau laser aurait une puissance d’émission améliorée, mais en raison de la nature de la complexité associée à un système couplé, il aura également plusieurs «supermodes». Malheureusement, la concurrence entre les modes rend le réseau laser moins cohérent. « 

Ouvrir la voie à de nouveaux appareils alimentés par la lumière

Feng et ses collègues ont utilisé des tableaux de microlasers en forme d’anneau dans leurs expériences. En utilisant les mathématiques de la théorie de la supersymétrie, ils ont développé des matrices laser «superpartenaires» qui ont amélioré la stabilité de la matrice principale, marquée en rouge. Crédit: Université de Pennsylvanie

Le couplage de deux lasers produit deux supermodes, mais ce nombre augmente de manière quadratique à mesure que les lasers sont disposés dans les grilles bidimensionnelles destinées à la détection photonique et aux applications LiDAR.

«Le fonctionnement en mode unique est essentiel», dit Qiao, «parce que le rayonnement et la luminosité du réseau laser augmentent avec le nombre de lasers uniquement s’ils sont tous verrouillés en phase dans un seul supermode».

«Inspiré par le concept de supersymétrie de la physique», dit-il, «nous pouvons réaliser ce type de laser monomode à verrouillage de phase dans un réseau laser en ajoutant un« super partenaire »dissipatif.»

En physique des particules, la supersymétrie est la théorie selon laquelle toutes les particules élémentaires des deux classes principales, les bosons et les fermions, ont un «super partenaire» encore inconnu dans l’autre classe. Les outils mathématiques qui prédisent les propriétés du super partenaire hypothétique de chaque particule peuvent également être appliqués aux propriétés des lasers.

Par rapport aux particules élémentaires, fabriquer le super partenaire d’un seul microlaser est relativement simple. La complexité réside dans l’adaptation des transformations mathématiques de la supersymétrie pour produire un tableau de superpartenaires entier qui a les niveaux d’énergie corrects pour annuler tout sauf le mode unique souhaité de l’original.

Avant le travail de Feng et de ses collègues, les matrices laser de superpartenaires ne pouvaient être qu’unidimensionnelles, chacun des éléments laser étant aligné dans une rangée. En résolvant les relations mathématiques qui régissent les directions dans lesquelles les éléments individuels se couplent les uns aux autres, leur nouvelle étude démontre un tableau avec cinq lignes et cinq colonnes de microlasers.

«Lorsque le réseau partenaire supersymétrique avec perte et le réseau laser d’origine sont couplés ensemble», explique Gao, «tous les supermodes, à l’exception du mode fondamental, sont dissipés, ce qui entraîne un laser monomode avec 25 fois la puissance et plus de 100 fois le densité de puissance de la matrice d’origine. Nous envisageons une mise à l’échelle de puissance beaucoup plus spectaculaire en appliquant notre schéma générique pour une matrice beaucoup plus grande, même en trois dimensions. L’ingénierie derrière est la même. « 

L’étude des chercheurs montre également que leur technique est compatible avec leurs recherches antérieures sur les lasers vortex, qui peuvent contrôler avec précision le moment angulaire orbital, ou comment un faisceau laser tourne autour de son axe de déplacement. La capacité de manipuler cette propriété de la lumière pourrait permettre des systèmes photoniques codés à des densités encore plus élevées qu’on ne l’imaginait auparavant.

«Le laser monomode haute puissance est utilisé dans un large éventail d’applications importantes, notamment les communications optiques, la détection optique et la télémétrie LIDAR», déclare James Joseph, directeur de programme, Army Research Office, un élément du développement des capacités de combat de l’armée américaine. Laboratoire de recherche de l’armée du commandement, qui a soutenu cette étude. «Les résultats de la recherche de Penn marquent une étape importante vers la création de sources laser plus efficaces et pouvant être envoyées sur le terrain.


La recherche ouvre la voie à l’amélioration des lasers et des communications


Plus d’information:
Xingdu Qiao et al.Grilles microlaser supersymétriques de plus grande dimension, La science (2021). DOI: 10.1126 / science.abg3904

Fourni par l’Université de Pennsylvanie

Citation: Ouvrir la voie à de nouveaux appareils alimentés par la lumière (2021, 28 avril) récupéré le 28 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-paving-light-powered-devices.html

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