Illustration d’un réseau laser à émission de surface à cavité chaotique. Cette nouvelle classe de réseau laser combine les avantages des cavités chaotiques et de la configuration d’émission de surface pour permettre un éclairage de haute qualité et une communication à grande vitesse. Crédit : 2023 KAUST ; Omar Alkhazragi
Les scientifiques de KAUST ont démontré une méthode simple de modification des lasers à semi-conducteurs compacts pour les rendre plus adaptés à l’éclairage et à l’holographie.
La technologie des semi-conducteurs permet à tous les composants d’un laser d’être emballés de manière compacte dans un appareil de quelques micromètres seulement. Cela comprend une région optiquement active qui amplifie la lumière et des miroirs hautement réfléchissants des deux côtés.
Un de ces dispositifs est le laser à émission de surface à cavité verticale, ou VCSEL. Ceux-ci sont construits en plaçant ou en développant avec précision des couches alternées de semi-conducteur sur un substrat pour créer une pile hautement réfléchissante. Le matériau actif est ensuite développé sur le dessus, suivi d’un deuxième empilement réfléchissant. La lumière laser peut alors être émise par le haut de l’appareil.
Les VCSEL sont avantageux car des centaines peuvent être créés et utilisés sur le même substrat en même temps. Mais le faisceau est sujet à un profil semblable à des taches, ce qui le rend inadapté à des applications telles que l’éclairage, l’holographie, la projection et les affichages. Ceux-ci nécessitent une lumière uniforme dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau.
Les speckles proviennent de la nature hautement ordonnée de la cavité, qui ne permet d’émettre qu’un petit nombre de modes, ou trajectoires de rayons lumineux. “Les VCSEL utilisent une cavité ordonnée qui permet la résonance de la lumière dans seulement un petit nombre de modes avec une efficacité exceptionnellement élevée”, explique le chercheur Omar Alkhazragi. “Les photons de ces modes interfèrent les uns avec les autres, ce qui entraîne des taches et une faible qualité d’éclairage.”
Les collègues d’Alkhazragi et de KAUST, ainsi que des collègues chinois, ont montré que les mouchetures peuvent être réduites dans la lumière laser des VCSEL simplement en modifiant la forme de l’appareil pour briser la symétrie de la cavité. Cela introduit un comportement chaotique dans la lumière générée et permet l’émission de plusieurs modes.
Alkhazragi et l’équipe ont étudié les VCSEL avec une cavité en forme de D et l’ont comparé avec ceux avec la géométrie cylindrique standard ou en forme de O. Ils ont observé que les dispositifs en forme de D présentaient une cohérence considérablement réduite et une augmentation correspondante de 60 % de la puissance optique, ce qui est le maximum réalisable.
Les chercheurs attribuent cette amélioration à la dynamique chaotique des rayons lumineux à l’intérieur de la cavité. Étant donné que la lumière est émise dans des modes mutuellement incohérents, la visibilité des mouchetures est réduite.
“L’apprentissage automatique pourrait aider à concevoir des cavités qui maximisent davantage le nombre de modes, réduisent la cohérence et réduisent ainsi la densité de chatoiement en dessous de la perception humaine”, explique Alkhazragi.
Référence : “Modifying the cohérence of vertical-cavity surface-emitting lasers using chaotic cavities” par Omar Alkhazragi, Ming Dong, Liang Chen, Dong Liang, Tien Khee Ng, Junping Zhang, Hakan Bagci et Boon S. Ooi, 26 janvier 2023, OPTIQUE.
DOI : 10.1364/OPTICA.475037
