Creación de un nuevo láser semiconductor monomodo: Escalado simultáneo de alta potencia y tamaño
Investigadores de la Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley) desarrollaron recientemente un nuevo tipo de láser semiconductor llamado BerkSEL. Los resultados fueron publicados en la revista Nature el 29 de junio.
Esquema del láser de emisión de superficie de Berkley (BerkSEL), con el rayo de la bomba en azul y el rayo láser en rojo.
Aumentar simultáneamente el tamaño y la potencia de los láseres monomodo ha sido un desafío para la óptica desde que se construyó el primer láser en 1960. Y este trabajo demuestra que el tamaño no tiene por qué ser a costa de la coherencia, lo que permite que los láseres sean más potentes. y estable y cubrir distancias más largas en muchas aplicaciones.
Un equipo de investigadores dirigido por Boubacar Kanté, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) de la Universidad de California, Berkeley, y científicos de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han demostrado una película semiconductora con perforaciones de agujeros espaciados y de tamaño idéntico que pueden actuar como una cavidad láser escalable. Los resultados muestran que el rayo láser emite una sola longitud de onda constante independientemente del tamaño de esta cavidad láser.
En los láseres convencionales, la luz direccional coherente de longitud de onda única comienza a romperse a medida que aumenta el tamaño de la cavidad del láser. La solución estándar es usar un mecanismo externo como una guía de ondas para amplificar el haz, sin embargo, esto ocupa mucho espacio. Al eliminar la necesidad de amplificación externa, los investigadores ahora pueden reducir el tamaño y aumentar la eficiencia de los chips de computadora y otros componentes que dependen del láser.
Este trabajo es particularmente relevante para la tecnología de láser de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL). En VCSELS, la luz se emite verticalmente desde la superficie superior del chip. los VCSEL suelen tener solo unas pocas micras de ancho, y la estrategia actual utilizada para mejorar su poder es agrupar cientos de VCSEL individuales. Debido a que los láseres son independientes, tienen diferentes fases y longitudes de onda, por lo que sus poderes no se combinan de manera coherente, lo cual es aceptable en aplicaciones como el reconocimiento facial, pero completamente inviable en aplicaciones donde la precisión es crítica, como las comunicaciones o la cirugía.
El diseño del láser "BerkSEL" desarrollado en UC Berkeley hace posible una emisión de luz monomodo más eficiente, basada principalmente en las propiedades físicas de la luz que pasa a través de los agujeros en películas delgadas. La película que desarrollaron es un fosfuro de arseniuro de indio y galio de 200-nm de espesor (un semiconductor comúnmente utilizado en fibra óptica y tecnología de telecomunicaciones). Los investigadores señalan que estos agujeros regulares están grabados mediante fotolitografía y deben tener un tamaño, una forma y una distancia fijos; pueden actuar como puntos de Dirac, una característica topológica de los materiales bidimensionales basada en la dispersión lineal de la energía.
Además, dado que la fase de la luz que se propaga de un punto a otro es igual al índice de refracción multiplicado por la distancia recorrida. Dado que el índice de refracción es cero en el punto de Dirac, la luz emitida por diferentes partes del semiconductor está exactamente en la misma fase y, por lo tanto, es ópticamente idéntica. Walid Redjem, coautor principal del estudio y becario postdoctoral de EECS, dijo: "La película de nuestro estudio tiene alrededor de 3,000 agujeros, pero en teoría, podría tener un millón o mil millones de agujeros y el resultado sería lo mismo".
Los investigadores ahora usan un láser pulsado de alta energía para bombear y alimentar ópticamente el dispositivo BerkSEL y medir la emisión de cada apertura usando un microscopio confocal optimizado para espectroscopía de infrarrojo cercano. Al ajustar las especificaciones de diseño, como el tamaño de la apertura y el material semiconductor, los láseres semiconductores "BerkSEL" pueden emitir en diferentes longitudes de onda objetivo.
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