Coerenza spaziale implementata spontaneamente in verticale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21629 (2022) Citare questo articolo

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Riportiamo una matrice di punti spazialmente coerente autoindotta composta da quattordici unità di modalità di emissione superficiale a cavità verticale che presentano spettri spazialmente uniformi. Una larghezza totale del fascio di 47,5 µm e un'emissione stretta di 0,5° si ottengono utilizzando una cavità oblunga racchiusa da uno specchio superiore piatto, uno specchio inferiore curvato cilindricamente e una sfaccettatura laterale. In particolare, terminare il lato della cavità con una sfaccettatura perpendicolare migliora la propagazione orizzontale, che si accoppia con la risonanza verticale in ciascun punto, simile al caso dei laser master nei laser a iniezione bloccata che delocalizzano le modalità. I laser a semiconduttore convenzionali, i laser a emissione di bordi e i laser a emissione superficiale a cavità verticale hanno una cavità di Fabry-Pérot; inoltre, emissione e risonanza hanno direzioni identiche, limitando la larghezza del fascio a pochi micrometri. Sebbene la struttura attuale abbia lo stesso schema di propagazione, la sfaccettatura ad angolo retto sincronizza i modi ed espande drasticamente la larghezza del fascio.

L'origine dei laser può essere fatta risalire alla previsione di Einstein sull'emissione stimolata1, secondo cui l'inversione della popolazione consente l'uso del laser. La maggior parte dei ricercatori sui laser a semiconduttore ritiene che la ricerca sul laser porterà a modi migliori per confinare i portatori e la luce in una piccola area. Di conseguenza, i laser a semiconduttore ampiamente utilizzati, come i laser a emissione di bordi (EEL)2,3 e i laser a emissione di superficie a cavità verticale (VCSEL), hanno un elevato confinamento della luce e piccole dimensioni del raggio (approssimativamente inferiori a dieci micron). Di conseguenza, questi laser hanno consumi energetici trascurabili e sono integrati in dispositivi elettronici industriali o di consumo come unità disco ottico, mouse per computer, stampanti laser, proiettori e così via4. Tuttavia, questo elevato confinamento porta ad ampi angoli di emissione dovuti alla diffrazione5. In questo contesto, questi laser richiedono componenti ottici aggiuntivi per restringere il fascio di emissione per molte applicazioni industriali, aumentando le dimensioni e i costi di fabbricazione dell’intero sistema. Pertanto, è di grande interesse trovare nuove strutture di cavità che consentano emissioni ridotte con un consumo energetico ridotto.

I laser a emissione superficiale a cristalli fotonici (PCSEL)6 sono uno dei candidati che soddisfano i requisiti sopra menzionati. La luce nei PCSEL si propaga nella direzione del piano per ottenere una risonanza modulata da una serie periodica 2D di fori d'aria di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda. I buchi periodici dirigono i fotoni che viaggiano nel piano in direzione verticale. Questo dispositivo consente fasci di larghezza inferiore al millimetro con un angolo di emissione molto stretto di 0,1° e uscite di classe superWatt7. Un'alternativa sono gli array di laser bloccati a iniezione, in cui un singolo laser (il laser "master") induce coerenza tra un insieme di laser (i laser "slave")8,9. Ciò sincronizza la fase degli array VCSEL per emettere fasci relativamente stretti10. Questi array hanno mostrato risultati straordinari modificando drasticamente la larghezza dei fasci rispetto a quella ottenuta utilizzando i convenzionali laser a emettitore singolo. Tuttavia, tali array comportano diverse sfide industriali. Ad esempio, la fabbricazione di massa dei PCSEL è difficile a causa delle loro strutture sub-lunghezza d'onda. L'ampia area corrispondente all'iniezione di corrente complica la gestione del calore. Inoltre, i laser bloccati ad iniezione incontrano una maggiore complessità con l'esistenza di due laser non monolitici.

Una serie coerente di laser autoaccoppiati rappresenta un'altra potenziale soluzione al problema sopra menzionato11. Questo approccio crea coerenza tra i laser costruendoli uno vicino all'altro. Tali array sono stati oggetto di ricerche approfondite con VCSEL utilizzando l'accoppiamento ottico basato su campi evanescenti e luce diffratta emessa da ciascuna unità laser. Possono funzionare senza strutture a lunghezza d'onda secondaria o laser multipli non monolitici. La disposizione degli emettitori in una configurazione ad anello allarga la larghezza del fascio12, riduce la generazione di calore svuotando la parte interna circondata da questi emettitori e restringe le emissioni. Uno svantaggio rimanente di una matrice coerente autoindotta è la complessità nello stabilire l'accoppiamento. Ad esempio, l'intervallo tra i VCSEL deve essere attentamente progettato per accoppiarsi in modo efficiente prevedendo la distribuzione spaziale dei campi evanescenti. Inoltre, è difficile stabilire un livello di corrente al quale gli emettitori si comportino in modo sufficientemente uniforme da raggiungere la coerenza. Pertanto, il controllo dei singoli VCSEL è una sfida. A volte è necessario fornire più cablaggi ai singoli emettitori di luce. Tuttavia, aumentare il numero di emettitori può deteriorarne esponenzialmente il controllo. Pertanto, il numero massimo di VCSEL in un array è limitato13, con una larghezza di circa 10 µm12.