Laser à la limite

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Le concept de seuil laser peut être bien illustré par un récipient percé : ce n'est que lorsque la puissance d'excitation est suffisamment élevée pour compenser les pertes que l'émission de lumière laser se produit. Dans ce qu'on appelle le nanolaser, il a été possible, entre autres, grâce à la réduction extrême de la taille, de diminuer considérablement les pertes et donc aussi le seuil laser. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

Quelle petite taille, quelle efficacité énergétique peut avoir un laser ? La recherche du nanolaser ultime pour la technologie de l'information du futur occupe des groupes de chercheurs du monde entier.

Dans le cadre d'une coopération internationale, le Prof. Dr. Stephan Reitzenstein de l'Institut de physique du solide à l'Université technique de Berlin et ses partenaires de projet ont non seulement réussi à construire un nanolaser extrêmement petit et hautement efficace, mais ont également démontré pour la première fois ses propriétés laser par une mesure quantique statistique de l'émission.

« L'efficacité énergétique n'intéresse pas seulement les fabricants de voitures électriques, mais est aussi un sujet dans la « photonique sur puce », c'est-à-dire les microprocesseurs où la transmission et le traitement des données se font de plus en plus à base de lumière », explique le Prof. Stephan Reitzenstein. « Ce qui est particulier avec les futurs nanolasers, c'est qu'ils opèrent à la transition vers la photonique quantique, c'est-à-dire dans le domaine des quanta de lumière, appelés photons. » En pratique, cela signifie : il n'est pas seulement très difficile de fabriquer de tels nanolasers. Le défi particulier consiste surtout à démontrer de manière claire l'émission laser.

La lumière laser est généralement produite dans un « résonateur optique » lorsqu'une quantité suffisante d'énergie est fournie à un médium laser qu'il contient. Le problème : l'énergie fournie, appelée puissance de pompage, doit dépasser une certaine limite — le seuil laser — pour que le médium émette non seulement de la lumière, mais une lumière laser.

« Cela est dû au fait qu'au départ, une grande partie de l'énergie fournie est convertie en photons sans qu'ils soient couplés dans le faisceau laser prévu. Dans les lasers à semi-conducteurs classiques, comme ceux que l'on trouve dans un lecteur CD ou DVD par exemple, seulement un cent-millième de tous les photons est effectivement couplé dans le faisceau laser. Tous les autres photons sont perdus. Ce n'est que lorsque la puissance de pompage compense ces pertes que la lumière laser peut apparaître », explique le Prof. Reitzenstein, qui compare volontiers ce phénomène à un seau percé : « Le seau percé symbolise le résonateur. Le tuyau d'arrosage avec lequel nous le remplissons est comparable à la source de pompage qui remplit le résonateur de photons. L'objectif est d'atteindre un certain niveau dans le seau, symbole du seuil laser. Cependant, de nombreux petits trous dans le seau laissent constamment s'écouler de l'eau — tout comme de nombreux photons quittent le résonateur sans être couplés dans le mode laser. Il faut donc que l'apport en eau dépasse une certaine limite (quantité d'eau/temps) pour que le niveau d'eau atteigne le niveau nécessaire (le seuil laser). Si l'on veut construire un nanolaser efficace énergétiquement avec un seuil laser bas, le résonateur doit être aussi petit et compact que possible. Dans le cas limite d'un nanolaser sans seuil ultime, il s'agit presque de « boucher tous les trous », de façon à ce que chaque photon introduit soit couplé dans le mode laser. »

Ce succès a été obtenu grâce à une réduction extrême de la taille du résonateur. La largeur du nanolaser étudié ici n'est que d'environ 200 nm. Pour comparaison : le diamètre d'un cheveu humain est d'environ 60 000 nm (un nanomètre [1 nm] = un millionième de millimètre). « La structure de haute précision du résonateur conduit à ce qu'en moyenne plus de 7 photons sur 10 fournis (et non seulement chaque cent-millième comme dans un laser normal) soient effectivement utilisables pour le fonctionnement du laser. » Avec cela, nous sommes déjà très proches du laser sans seuil ultime », explique Stephan Reitzenstein.

Pour la caractérisation du nanolaser, des détecteurs très sensibles et des méthodes d'analyse sophistiquées ont été utilisées : ainsi, une expérience quantique optique permet de déterminer la statistique des photons de la lumière émise, qui est caractéristique de l'émission laser. Ce n'est qu'avec cette configuration complexe qu'il a été possible pour la première fois de prouver de manière claire qu'il s'agit bien de lumière laser provenant du nanorésonateur, et non simplement d'une diode électroluminescente.

« Nous démontrons notamment que les « critères de laser » établis perdent de leur importance pour les nanolasers, et que la lumière laser ne peut finalement être détectée que par des moyens quantiques », explique Stefan T. Jagsch, qui a mené en tant que doctorant sous la direction du Prof. Reitzenstein les travaux expérimentaux de manière centrale.

Les travaux ont été réalisés dans le cadre d'un projet financé par la DFG et le Fonds national suisse (SNF), en coopération étroite avec des groupes de premier plan dans le domaine de la procédés de semi-conducteurs (Prof. Nicolas Grandjean, École polytechnique fédérale de Lausanne), la théorie du nanolaser (Dr. Christopher Gies et Prof. Frank Jahnke, Université de Brême) et la caractérisation des nitrures de semi-conducteurs (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlin). Ils ont été publiés dans le numéro actuel de la revue spécialisée en accès libre renommée, Nature Communications.

*Publication : S. T. Jagsch, N. Vico Triviño, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I. M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Buttée, C. Gies, A. Hoffmann, N. Grandjean, S. Reitzenstein, « Étude quantique optique des caractéristiques de laser sans seuil dans des cavités nanobeams nitrures à haut β », Nat. Commun. 9, 564 (2018).
DOI :10.1038/s41467-018-02999-2