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La technologie Terahertz révèle un mécanisme laser semi-conducteur

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Les lasers sont généralement utilisés comme sources de haute puissance qui fonctionnent de manière fiable à une fréquence spécifique. Mais comment cette fréquence est-elle sélectionnée lorsqu'un laser est allumé et à quelle vitesse cet effet de transmission cohérent se produit-il?

Les ingénieurs utilisant la technologie des fréquences térahertz ont commencé à répondre à ces questions, ayant étudié ce processus pour la première fois. Leurs résultats, qui viennent d’être publiés, «soutiendront le développement futur des lasers à semi-conducteurs, y compris ceux utilisés dans les systèmes de télécommunications».

On a longtemps prédit que les fréquences de fonctionnement dans les lasers à semi-conducteurs se stabilisent sur une échelle de temps de quelques nanosecondes et peuvent être modifiées dans quelques centaines de picosecondes. Jusqu'à présent, aucun détecteur n'a pu mesurer et prouver cette précision. ont été réalisés uniquement sur des échelles de temps nanosecondes, qui sont trop lentes pour permettre une analyse efficace ou pour développer les nouveaux systèmes les plus efficaces.


Collaboration internationale

Des chercheurs de l'Université de Leeds, en collaboration avec des collègues internationaux de l'École normale supérieure de Paris et de l'Université du Queensland à Brisbane, ont utilisé des lasers à cascade quantique térahertz et une technique appelée spectroscopie temporelle térahertz pour comprendre ce processus de stabilisation laser.

La technologie alimentée par terahertz peut mesurer la longueur d'onde de la lumière en périodes de femtosecondes, donnant des niveaux de détail sans précédent. En connaissant la vitesse à laquelle les longueurs d'ondes changent au sein des lasers, et ce qui se passe pendant ce processus dans des délais minuscules, des dispositifs et des systèmes plus efficaces peuvent être construits.

«Notre recherche vise à montrer aux ingénieurs et aux développeurs où chercher à améliorer les performances de leurs propres systèmes", a commenté le professeur, président de Terahertz Electronics à l’Université de Leeds. Les composantes de l'étude de Leeds ont été réalisées dans le laboratoire de photonique Terahertz de l'université, qui fait partie du centre de recherche sur les matériaux de Bragg.


Avantages pour l'industrie

Dr, de la faculté de génie électronique et électrique de Leeds, est l'auteur principal de l'article expliquant la recherche. Il a commenté: «Maintenant que nous pouvons voir l’émission détaillée des lasers sur des tranches de temps incroyablement petites, nous pouvons voir comment la longueur d’onde de la lumière change à mesure que l’on passe d’un état stable à un nouvel état stable.

«La technologie Terahertz n’est pas disponible dans de nombreux secteurs, mais nous pensons que sa valeur réside dans la capacité à mettre en évidence les tendances et à expliquer le fonctionnement détaillé des dispositifs photoniques intégrés utilisés dans les systèmes d’imagerie complexes. »

Le professeur Linfield, qui a également participé à l’étude, a déclaré: « Nous utilisons les capacités très avancées de la technologie térahertz pour mettre en lumière le fonctionnement des lasers. Notre recherche vise à montrer aux ingénieurs et aux développeurs où chercher à améliorer les performances de leurs propres systèmes. Ce faisant, nous augmenterons la compétitivité mondiale de la base scientifique et technique du Royaume-Uni. »

La recherche a été financée par le Conseil britannique de recherche en ingénierie et en sciences physiques (subvention du programme Terahertz), en partie; la Royal Society, la Wolfson Foundation; la bourse de l'Union européenne et le Centre national de la recherche scientifique, France


Potentiel d'application

La section de discussion de l'article indique que «les observations sont qualitativement applicables à tout laser multi-cavité accordable en fréquence, tel que les lasers avec des réflecteurs de Bragg distribués à réseau échantillonné, où la sélection de fréquence est déterminée par l'alignement en peigne.

«Les résultats suggèrent que pour tout laser accordable en fréquence basé sur la sélection Vernier, où les vitesses de commutation sont importantes, la variation de la durée d’allumage doit être prise en compte. Par exemple, lorsqu'une commutation rapide entre les fréquences d'émission est requise, il convient de veiller à concevoir la cavité laser de manière à éviter les régimes d'alignement en peigne intermédiaire.

«En conclusion, nous rapportons les sauts dynamiques entre les modes d’émission laser et l’évolution temporelle d’une émission multimodale transitoire en une émission monomode en régime permanent dans un QCL à cavité couplée. Nous avons également constaté que, bien que les sauts entre les modes simples puissent être obtenus grâce à une légère modification du courant d'accord, le temps de stabilisation dans ces lasers est plus sensible à l'alignement des peignes de fréquence supportés par chaque section de cavité. »