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Microlaser a temperatura ambiente
Gli scienziati hanno creato il laser più piccolo in assoluto in grado di funzionare a temperatura ambiente. Il dispositivo è inferiore a un micron cubo, inferiore alla lunghezza d'onda della luce che emette. È il primo laser a lunghezza d'onda inferiore che non richiede il raffreddamento criogenico.
Precisione laser: Lo studente laureato Olesya Bondarenko ispeziona lo strumento di deposizione sputter utilizzato per applicare uno strato di alluminio ai microlaser a lunghezza d'onda inferiore.
Yeshaiahu Fainman , capo dell'Ultrafast and Nanoscale Optics Group presso l'Università della California, San Diego, che ha guidato il lavoro, afferma che dovrebbe essere possibile imballare i microlaser vicini tra loro senza interferenze tra i dispositivi. Ciò apre la strada, tra le altre cose, a dispositivi di comunicazione ottica più veloci che utilizzano laser a lunghezza d'onda inferiore in array densi.
I ricercatori hanno modificato quello che è noto come laser a microdisco. In questo tipo di laser, un disco microscopico contenente materiali diversi viene pompato otticamente da un laser più grande. Questo stimola il suo nucleo semiconduttore a emettere luce, che rimbalza attorno ai bordi del disco prima di essere rilasciata. L'aggiunta di metallo a questo disco può impedire al laser di comportarsi in modo tale da interferire con altri dispositivi nelle immediate vicinanze. Ma questo riduce l'efficienza del laser e fino ad ora l'unico modo per contrastare questa perdita di prestazioni è stato raffreddarlo criogenicamente a circa 77 gradi Kelvin (-196 gradi Celsius) utilizzando azoto liquido, il che è tutt'altro che pratico.
Fainman, insieme al postdoc Maziar Nezhad e ad altri colleghi della UCSD, ha trovato un modo più semplice per migliorare l'efficienza del proprio laser e per eliminare la necessità di raffreddamento. Hanno aggiunto uno strato di silice, seguito da uno strato di alluminio attorno a una cavità laser fatta di fosfuro di arseniuro di indio gallio. Lo strato metallico esterno agisce come uno scudo, isolando il laser da altri dispositivi e agendo come un dissipatore di calore altamente efficiente. Lo strato di silice impedisce al metallo di ridurre l'efficienza complessiva del laser.
È stato scelto l'alluminio perché le sue proprietà ottiche lo rendono altamente riflettente. Ma la chiave per farlo funzionare sta nel controllare con precisione lo spessore dello strato di silice che separa il metallo dal nucleo del semiconduttore, afferma Fainman. Se lo strato è troppo sottile, lo schermo metallico interagirà troppo fortemente con il campo ottico, con conseguenti perdite elevate.
Questo è un lavoro molto entusiasmante e introduce importanti progressi nel nuovo campo dei nanolaser, afferma Naomi Halas, Professore Stanley C. Moore di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Rice University, e direttore del Laboratorio di Nanofotonica dell'Università. L'utilizzo di strati metallici e geometrie di progettazione intelligenti ha consentito a questo gruppo di iniziare a perfezionare queste strutture che amplieranno il modo in cui questi dispositivi vengono utilizzati nei sistemi di comunicazione.
In un articolo pubblicato sulla rivista Fotonica della natura , il gruppo UCSD mostra che il suo laser può produrre emissioni con una lunghezza d'onda di 1,43 micron a temperatura ambiente. Il gruppo ha ricevuto finanziamenti dalla National Science Foundation e da DARPA's Architetture su nanoscala per sorgenti iper-ottiche coerenti programma.
In teoria, l'efficienza del laser potrebbe essere ulteriormente migliorata utilizzando altri metalli che hanno proprietà ottiche ancora più favorevoli, come l'argento o l'oro, afferma Fainman.
Una sfida più grande è trovare un modo per integrare completamente i laser nei dispositivi optoelettronici, sostituendo la complessa pompa ottica con una elettrica. Il pompaggio elettrico sarebbe più desiderabile, perché è molto più efficiente, afferma Richard De La Rue , professore di optoelettronica all'Università di Glasgow, nel Regno Unito.
Oltre alle comunicazioni ad alta velocità, i laser a lunghezza d'onda inferiore potrebbero trovare applicazioni nell'imaging biomedico e nella microscopia ottica in campo vicino, afferma Fainman. In quest'ultimo caso, ci sono difficoltà nella scansione meccanica dei laser su una superficie, dice, quindi l'obiettivo sarebbe quello di creare una serie di sorgenti luminose che vengano scansionate elettricamente anziché meccanicamente.
Halas dice che il lavoro è anche scientificamente importante. Sfruttano un regime in cui il design della cavità può alterare le proprietà del mezzo di guadagno, che in realtà introduce un modo completamente nuovo di pensare ai laser, dice.