Les chaos lasers de forme irrégulière stabilisent les émissions laser haute puissance
Les lasers font partie intégrante de la technologie des semi-conducteurs et ces faisceaux spéciaux sont utilisés dans de nombreuses applications - du soudage et de la découpe du métal à la lecture de disques compacts et de codes-barres de numérisation. Mais un problème de longue date avec les lasers est qu’étant des produits de la lumière, ils présentent des instabilités inhérentes qui les rendent «incohérentes». Le degré relatif de cette incohérence est appelé chaos laser et, souvent, les utilisateurs doivent choisir entre un puissant laser à semi-conducteur avec une qualité de sortie médiocre ou un laser cohérent mais beaucoup plus faible. Les instabilités du laser sont causées par les filaments optiques - structures légères qui se déplacent de manière aléatoire et changent avec le temps, provoquant le chaos. En surmontant le chaos laser, les scientifiques peuvent créer des cinémas laser 3D ultra-brillants ou en faire des éléments dans des systèmes laser extrêmement lumineux utilisés dans les réacteurs à fusion nucléaire. Il pourrait y avoir une solution. Dans un article publié dans Science, une équipe de recherche internationale a décrit comment il était possible d’empêcher les filaments laser d’utiliser une technique appelée «chaos quantique».
Les lasers à semi-conducteurs à haute puissance sont utilisés dans le traitement des matériaux, l’imagerie biomédicale et la recherche industrielle, mais la lumière émise qu’ils produisent est affectée par les instabilités, ce qui la rend incohérente.
Les instabilités dans le laser sont causées par des filaments optiques; structures légères qui se déplacent de manière aléatoire et changent avec le temps, provoquant le chaos. La suppression de ces instabilités est depuis longtemps un objectif en physique, mais les stratégies précédentes visant à réduire les filaments ont généralement consisté à réduire la puissance du laser.
Cela signifie qu'il ne peut plus être utilisé pour de nombreuses applications très puissantes, telles que le cinéma laser 3D ultra-lumineux ou comme éléments de systèmes laser extrêmement brillants utilisés dans les réacteurs à fusion.
Au lieu de cela, les chercheurs devaient choisir entre un laser à semi-conducteur puissant avec une qualité de sortie médiocre et un laser cohérent mais beaucoup moins puissant.
Leur technique, publiée aujourd'hui dans Science, utilise le «chaos quantique» pour empêcher que les filaments du laser, à l'origine des instabilités, ne se forment en premier lieu. En créant un chaos quantique (onde) dans la cavité utilisée pour créer le laser, le laser lui-même reste stable.
Professeur du Département de physique, a contribué en grande partie à la théorie, à la simulation et à l'interprétation du nouveau système. Il a dit: «La façon dont les filaments optiques, qui provoquent les instabilités du laser, grandissent et résistent au contrôle est un peu comme le comportement indiscipliné des tornades.
«Cependant, les tornades sont plus susceptibles de se former et de se déplacer sur un pays plat. Par exemple, en Amérique, elles se forment fréquemment dans la belle Oklahoma mais pas aussi souvent dans les collines de Virginie-Occidentale. être capable de former ou de se déplacer.
«De la même manière, en créant un paysage optique» vallonné «à l’intérieur de nos lasers à l’aide du chaos quantique, nous ne permettons pas aux filaments - nos tornades optiques - de se former ou de se développer.»
Le système laser, fabriqué à l'Université technologique, a fait ses preuves à l'université. L’équipe travaille maintenant à explorer et à adapter l’émission de lumière, par exemple en améliorant la directionnalité du laser.
Ils affirment toutefois que la percée devrait déjà permettre aux lasers à semi-conducteurs de fonctionner à une puissance supérieure avec une qualité d’émission élevée, et que la même idée pourrait être appliquée à d’autres types de lasers.
Les lasers émettent une lumière cohérente qui peut être focalisée dans un faisceau étroit. Pour produire et amplifier la lumière, celle-ci est contournée par une cavité grâce à des matériaux de gain spéciaux. Cependant, lorsque de grands lasers à semi-conducteurs sont allumés, ce va-et-vient crée des filaments - des sections de la lumière qui commencent rapidement à agir de manière chaotique.
Pour créer un autre type de chaos - le paysage chaotique quantique - l’équipe a conçu une nouvelle forme de cavité pour le laser. La plupart des cavités sont de forme cuboïde, mais en utilisant une cavité en forme de D, l'équipe a pu induire un chaos quantique dans la lumière qui rebondissait.
Ce chaos quantique agit à une échelle inférieure à la longueur d'onde de la lumière, créant les «collines» optiques qui aident à dissiper les «tornades» optiques.
Le professeur de l'université a déclaré: «Nous utilisons des cavités chaotiques ou désordonnées pour perturber la formation de structures auto-organisées telles que des filaments qui conduisent à des instabilités.»
L'équipe a pu mieux comprendre les processus et les formes de cavité susceptibles de créer ce type de chaos quantique à partir de théories et d'expériences en nanophotonique et en nanoplasmonique, en étudiant la lumière et les métaux à des milliards de mètres.
Le Professeur a ajouté: «Depuis ma thèse, je travaille sur la dynamique spatio-temporelle et quantique dans les lasers.
«La relation fonctionne également à l'inverse - avec des systèmes comme celui-ci, nous pouvons offrir de nouvelles perspectives sur la nanophotonique et la nanoplasmonique, et rapprocher les communautés de la nanoscience et du laser.»
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