Unter welchen Bedingungen qualifizieren sich Nanolaser als echte Laser?

• Kohärentes Licht, das von Nanolasern erzeugt wird, ist schwer zu messen.
• Forscher entdecken eine Methode, um solch anspruchsvolle Messungen durchzuführen.
• Sie entwickeln eine einfache Formel, um herauszufinden, unter welchen Bedingungen Nanolaser als echte Laser gelten.

In den letzten Jahren haben sich Nanolaser als neuartige Lichtquellen mit einer Größe von etwa einem Milliardstel Meter herausgebildet. Seine einzigartigen Eigenschaften unterscheiden ihn von makroskopischen Lasern.

Das Design von Nanolasern ist dem herkömmlicher Halbleiterlaser auf Heterostrukturbasis sehr ähnlich. Ihre Hohlräume sind jedoch extrem klein:in der Größenordnung der Lichtwellenlänge (Infrarot und sichtbares Licht).

In den kommenden Jahren werden Nanolaser in integrierten optischen Schaltkreisen eingesetzt, um die Leistung von GPUs und CPUs zu steigern und die Geschwindigkeit der Internetverbindung über Glasfaser um mehrere Größenordnungen zu steigern. Es kann auch in Techniken integriert werden, die verwendet werden, um die Neuronenaktivität in lebenden Organismen zu kontrollieren.

Erzielen von Kohärenz in Nanolasern

Bei Nanolasern gibt es ein großes Problem:Wir wissen nicht, an welchem ​​Punkt (Strom) ihre Ausgangsstrahlung kohärent wird. Für reale Anwendungen ist es entscheidend, zwischen 2 Phasen des Nanolasers zu unterscheiden:der LED-ähnlichen Phase mit inkohärenter Leistung bei niedrigen Strömen und der echten Laserwirkung mit kohärenter Leistung bei hohen Strömen.

Um sich als echter Laser zu qualifizieren, muss die Strahlungsquelle einige Anforderungen erfüllen. Der wichtigste ist, kohärente Strahlung auszustoßen. Kohärenz wird oberhalb eines Punktes erreicht, der als Laserschwelle bezeichnet wird. Unterhalb dieses Punktes emittiert die Quelle eine spontane Strahlung, die sich nicht von der Leistung herkömmlicher LEDs unterscheidet.

Diese Laserschwelle kann durch Analyse der Beziehung zwischen Pumpstrom und Ausgangsleistung bestimmt werden (Abbildung 1A). Einige Geräte weisen jedoch keine Besonderheiten auf (rote Linie in Abbildung 1b), was es sehr schwierig macht, den Schwellenwert in der Pumpstrom-Ausgangsleistungs-Kurve genau zu bestimmen. Diese Art von Nanolasern wird als „schwellenlos“ bezeichnet.

Neue Formel zur direkten Kohärenzmessung

Kohärentes Licht, das von Nanolasern erzeugt wird, ist schwer zu messen, da es empfindliche Instrumente erfordert, um Intensitätsschwankungen im Milliardstel Millisekundenbereich zu erfassen.

Wissenschaftler des Moskauer Instituts für Physik und Technologie haben eine Methode entdeckt, um solch schwierige Messungen durchzuführen. Es beinhaltet die Quantifizierung der Kohärenz der Nanolaserstrahlung unter Verwendung der wichtigsten Laserparameter.

Referenz:Optik Express | doi:10.1364/OE.26.033473 | MIPT

Die Methode kann verwendet werden, um den Schwellenstrom für fast alle Nanolaser zu bestimmen, einschließlich „schwellenloser“ Nanolaser, die einen unterschiedlichen Schwellenwert haben, der die Laser- und LED-Phase isoliert. Die von Nanolasern ausgestoßene Strahlung ist über diesem Schwellenstrom kohärent und darunter inkohärent.

Bisher war es aufgrund der Selbsterwärmung von Nanolasern fast unmöglich, kohärente Strahlung zu erhalten. Daher ist es sehr wichtig, die tatsächliche Laserschwelle von der illusorischen zu unterscheiden.

Dafür haben die Forscher eine einfache Formel entwickelt, die universell auf alle Nanolaser angewendet werden kann. Mithilfe dieser Formel zusammen mit Input-Output-Parametern (Abbildung 2) können Physiker den Schwellenwert jeder Struktur, die sie bauen, schnell abschätzen.

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Diese neue Studie macht es leicht (im Voraus) vorherzusagen, bei welchem ​​Pumpstrom der Nanolaser unabhängig von seinem Design kohärente Strahlung liefert. Dies wird Physikern helfen, Nanolaser mit vorgegebenen Eigenschaften und garantierter Kohärenz zu entwerfen und zu bauen.