Los láseres se utilizan ampliamente en electrodomésticos, medicamento, industria, telecomunicaciones y más. Muchos años atrás, los científicos introdujeron los nanoláseres. Su diseño es similar al de los láseres semiconductores convencionales basados ​​en heteroestructuras de uso común durante varias décadas. La diferencia es que las cavidades de los nanoláseres son extremadamente pequeñas, en el orden de la longitud de onda de la luz que emiten. Dado que en su mayoría generan luz visible e infrarroja, el tamaño es del orden de una millonésima de metro.

Los nanoláseres tienen propiedades únicas notablemente diferentes de las de los láseres macroscópicos. Sin embargo, es casi imposible determinar a qué corriente se vuelve coherente la radiación de salida del nanoláser; Adicionalmente, para aplicaciones prácticas, Es importante distinguir entre los dos regímenes del nanoláser:la verdadera acción láser con una salida coherente a altas corrientes, y el régimen tipo LED con salida incoherente a bajas corrientes. Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú desarrollaron un método para determinar bajo qué circunstancias los nanoláseres califican como verdaderos láseres. La investigación fue publicada en Óptica Express .

En el futuro cercano, Los nanoláseres se incorporarán a circuitos ópticos integrados, cuando sean necesarios para una nueva generación de interconexiones de alta velocidad basadas en guías de ondas fotónicas, lo que aumentaría el rendimiento de las CPU y GPU en varios órdenes de magnitud. En una forma similar, la llegada de Internet de fibra óptica ha mejorado las velocidades de conexión, al mismo tiempo que impulsa la eficiencia energética.

Y esta no es la única aplicación posible de los nanoláseres. Los investigadores ya están desarrollando sensores químicos y biológicos, meras millonésimas de metro de tamaño, y sensores de tensión mecánica tan pequeños como varias mil millonésimas de metro. También se espera que los nanoláseres se utilicen para controlar la actividad neuronal en organismos vivos, incluidos los humanos.

Para que una fuente de radiación califique como láser, debe cumplir una serie de requisitos, el principal es que debe emitir radiación coherente. Una propiedad distintiva que está estrechamente asociada con la coherencia es la presencia de un llamado umbral láser. A corrientes de bomba por debajo de este valor umbral, la radiación de salida es en su mayoría espontánea y no difiere en sus propiedades de la salida de los diodos emisores de luz (LED) convencionales. Pero una vez que se alcanza el umbral de corriente, la radiación se vuelve coherente. En este punto, el espectro de emisión de un láser macroscópico convencional se reduce y su potencia de salida aumenta. La última propiedad proporciona una manera fácil de determinar el umbral de láser, es decir, investigando cómo varía la potencia de salida con la corriente de la bomba (figura 1A).

Muchos nanoláseres se comportan como lo hacen sus homólogos macroscópicos convencionales, exhibiendo una corriente de umbral. Sin embargo, para algunos dispositivos, un umbral láser no se puede determinar analizando la potencia de salida frente a la curva de corriente de la bomba, ya que no tiene características especiales y es solo una línea recta en la escala logarítmica (línea roja en la figura 1B). Estos nanoláseres se conocen como "sin umbral". Esto presenta la pregunta:¿A qué corriente se vuelve coherente su radiación, o como un láser?

La forma obvia de responder a esto es midiendo la coherencia. Sin embargo, a diferencia del espectro de emisión y la potencia de salida, la coherencia es muy difícil de medir en el caso de los nanoláseres, dado que esto requiere un equipo capaz de registrar fluctuaciones de intensidad en billonésimas de segundo, que es la escala de tiempo en la que ocurren los procesos internos en un nanoláser.

Andrey Vyshnevyy y Dmitry Fedyanin del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han encontrado una manera de eludir las medidas de coherencia directa técnicamente desafiantes. Desarrollaron un método que utiliza los principales parámetros del láser para cuantificar la coherencia de la radiación nanoláser. Los investigadores afirman que su técnica permite determinar el umbral de corriente para cualquier nanoláser (figura 1B). Descubrieron que incluso un nanolaser "sin umbral" tiene de hecho un umbral de corriente distinto que separa los regímenes de LED y láser. La radiación emitida es incoherente por debajo de este umbral de corriente y coherente por encima de ella.

Asombrosamente, la corriente de umbral de un nanolaser resultó no estar relacionada de ninguna manera con las características de la característica de salida o el estrechamiento del espectro de emisión, que son signos reveladores del umbral láser en láseres macroscópicos. La Figura 1B muestra claramente que incluso si se observa un retorcimiento bien pronunciado en la característica de salida, la transición al régimen láser se produce a corrientes más altas. Esto es lo que los científicos láser no podían esperar de los nanoláseres.

"Nuestros cálculos muestran que en la mayoría de los artículos sobre nanoláseres, no se logró el régimen láser. A pesar de que las investigaciones realizan mediciones por encima del pliegue en la característica de salida, la emisión de nanolaser era incoherente, Dado que el umbral de radiación láser real era de varios órdenes de magnitud por encima del valor de torsión, "Dmitry Fedyanin dice." Muy a menudo, era simplemente imposible lograr una salida coherente debido al autocalentamiento del nanolaser, ", Añade Andrey Vyshnevyy.

Por lo tanto, Es muy importante distinguir el umbral de láser ilusorio del real. Si bien tanto las mediciones de coherencia como los cálculos son difíciles, Vyshnevyy y Fedyanin idearon una fórmula simple que se puede aplicar a cualquier nano-láser. Usando esta fórmula y la característica de salida, Los ingenieros de nanolaser ahora pueden medir rápidamente el umbral de corriente de las estructuras que crean (ver figura 2).

Los hallazgos informados por Vyshnevyy y Fedyanin permiten predecir de antemano el punto en el que la radiación de un nanoláser, independientemente de su diseño, se vuelve coherente. Esto permitirá a los ingenieros desarrollar de forma determinista láseres a nanoescala con propiedades predeterminadas y coherencia garantizada.