Lasrar används ofta i hushållsapparater, medicin, industri, telekommunikation med mera. Många år sedan, forskare introducerade nanolaser. Deras design liknar den för konventionella halvledarlasrar baserade på heterostrukturer i vanligt bruk under flera decennier. Skillnaden är att hålrummen i nanolasrar är oerhört små, i storleksordningen av våglängden för det ljus de sänder ut. Eftersom de mestadels genererar synligt och infrarött ljus, storleken är i storleksordningen en miljondels meter.

Nanolasrar har unika egenskaper som skiljer sig anmärkningsvärt från makroskopiska lasrar. Dock, det är nästan omöjligt att avgöra vid vilken ström utstrålningen från nanolasern blir koherent; dessutom, för praktiska tillämpningar, det är viktigt att skilja mellan nanolaserns två regimer:den sanna lasrverkan med en koherent uteffekt vid höga strömmar, och den LED-liknande regimen med inkoherent utsignal vid låga strömmar. Forskare från Moskvainstitutet för fysik och teknik utvecklade en metod för att avgöra under vilka omständigheter nanolasrar kvalificerar sig som sanna lasrar. Forskningen publicerades i Optik Express .

Inom en snar framtid, nanolasrar kommer att införlivas i integrerade optiska kretsar, där de krävs för en ny generation av höghastighetsförbindelser baserade på fotoniska vågledare, vilket skulle öka prestanda för CPU:er och GPU:er med flera storleksordningar. På ett liknande sätt, tillkomsten av fiberoptiskt internet har ökat anslutningshastigheter, samtidigt som det ökar energieffektiviteten.

Och detta är överlägset inte den enda möjliga tillämpningen av nanolaser. Forskare utvecklar redan kemiska och biologiska sensorer, bara miljondelar av en meter stor, och mekaniska stresssensorer så små som flera miljarddels meter. Nanolaser förväntas också användas för att kontrollera neuronaktivitet i levande organismer, inklusive människor.

För att en strålkälla ska kvalificera sig som laser, det måste uppfylla ett antal krav, den viktigaste är att den måste avge koherent strålning. En utmärkande egenskap som är nära förknippad med koherens är förekomsten av en så kallad lasringströskel. Vid pumpströmmar under detta tröskelvärde, den utgående strålningen är mestadels spontan och skiljer sig inte i sina egenskaper från utsignalen från konventionella lysdioder (LED). Men när tröskelvärdet nås, strålningen blir koherent. Vid denna tidpunkt, emissionsspektrumet för en konventionell makroskopisk laser minskar och dess uteffekt ökar. Den senare egenskapen tillhandahåller ett enkelt sätt att bestämma lasringströskeln - nämligen genom att undersöka hur uteffekten varierar med pumpströmmen (figur 1A).

Många nanolasrar beter sig som deras konventionella makroskopiska motsvarigheter gör, uppvisar en tröskelström. Dock, för vissa enheter, en lasrtröskel kan inte fastställas genom att analysera kurvan för uteffekt kontra pumpström, eftersom den inte har några speciella egenskaper och bara är en rak linje på log-log-skalan (röd linje i figur 1B). Sådana nanolasrar är kända som "tröskellösa". Detta ställer frågan:Vid vilken ström blir deras strålning koherent, eller laserliknande?

Det självklara sättet att svara på detta är genom att mäta koherensen. Dock, till skillnad från emissionsspektrum och uteffekt, koherens är mycket svår att mäta när det gäller nanolaser, eftersom detta kräver utrustning som kan registrera intensitetsfluktuationer på biljondelar av en sekund, vilket är den tidsskala på vilken de interna processerna i en nanolaser sker.

Andrey Vyshnevyy och Dmitry Fedyanin från Moscow Institute of Physics and Technology har hittat ett sätt att kringgå de tekniskt utmanande direkta koherensmätningarna. De utvecklade en metod som använder de viktigaste laserparametrarna för att kvantifiera koherensen av nanolaserstrålning. Forskarna hävdar att deras teknik gör det möjligt att bestämma tröskelströmmen för vilken nanolaser som helst (figur 1B). De fann att även en "tröskellös" nanolaser faktiskt har en distinkt tröskelström som skiljer LED- och lasrregimerna åt. Den emitterade strålningen är inkoherent under denna tröskelström och koherent över den.

Förvånande, tröskelströmmen för en nanolaser visade sig inte på något sätt vara relaterad till egenskaperna hos utgångskarakteristiken eller avsmalningen av emissionsspektrumet, som är tecken på lasringströskeln i makroskopiska lasrar. Figur 1B visar tydligt att även om en väl uttalad kink ses i utgångskarakteristiken, övergången till lasrregimen sker vid högre strömmar. Detta är vad laserforskare inte kunde förvänta sig av nanolasrar.

"Våra beräkningar visar att i de flesta tidningar om nanolaser, lasringsregimen uppnåddes inte. Trots att undersökningar utfört mätningar ovanför knäcken i utgångskarakteristiken, nanolaserutsläppet var osammanhängande, eftersom den faktiska lasringströskeln var storleksordningar över kinkvärdet, " Dmitry Fedyanin säger. "Mycket ofta, det var helt enkelt omöjligt att uppnå koherent effekt på grund av självuppvärmning av nanolasern, ", tillägger Andrey Vyshnevyy.

Därför, det är mycket viktigt att skilja den illusoriska lasringströskeln från den faktiska. Även om både koherensmätningarna och beräkningarna är svåra, Vyshnevyy och Fedyanin kom fram till en enkel formel som kan appliceras på vilken nanolaser som helst. Med hjälp av denna formel och utdatakarakteristiken, nanolaseringenjörer kan nu snabbt mäta tröskelströmmen för de strukturer de skapar (se figur 2).

Fynden som rapporterats av Vyshnevyy och Fedyanin gör det möjligt att i förväg förutsäga den punkt där strålningen från en nanolaser – oavsett dess design – blir koherent. Detta kommer att tillåta ingenjörer att deterministiskt utveckla lasrar i nanoskala med förutbestämda egenskaper och garanterad koherens.