Laser à la limite

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Quelle petite, quelle efficace peut être 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 la TU 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 ne concerne 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 individuels, 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, lorsque suffisamment d'énergie est fournie à un milieu laser qu'il contient. Le problème : l'énergie fournie, appelée puissance de pompage, doit dépasser une certaine limite — le seuil laser — pour que le milieu laser émette non seulement de la lumière, mais de la lumière laser.

« Cela est dû au fait qu'au départ, une grande partie de l'énergie fournie est convertie en photons, sans qu'ils ne soient couplés dans le faisceau laser prévu. Dans les lasers à semi-conducteurs classiques, comme ceux que l'on trouve dans chaque lecteur CD ou DVD, seulement un photon sur cent mille 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 remplissons le seau 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. Mais avec de nombreux petits trous dans le seau, l'eau s'écoule constamment — tout comme les photons quittent le résonateur sans être couplés dans le mode laser. Par conséquent, l'apport d'eau doit dépasser une certaine limite (quantité d'eau/temps) pour que le niveau d'eau atteigne le seuil requis (seuil laser). Si l'on veut construire un nanolaser efficace énergétiquement avec un seuil bas, le résonateur doit être aussi petit et compact que possible. Dans le cas limite d'un nanolaser sans seuil ultime, il est presque possible de « boucher tous les trous », de façon 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 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-mille comme dans un laser normal) soient effectivement utilisables pour le fonctionnement du laser. » Nous sommes donc 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 que la lumière provenant du nano-résonateur est réellement du laser, et qu’il ne s’agit pas simplement d’une diode électroluminescente.

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

Les travaux ont été réalisés dans le cadre d’un projet de financement externe soutenu par la DFG et le Fonds national suisse (SNF), en étroite coopération avec des groupes de premier plan dans le domaine de la traitement des 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, Nature Communications.