Augmentar la potència de sortida dels làsers trencant-ne la simetria
11 de novembre de 2021
En els làsers de semiconductors de gran obertura és possible obtenir perfils d'intensitat lluminosa més uniformes si se’n deforma intencionadament l’obertura òptica. Un equip internacional de la Universitat Tecnològica de Łodz, l'Institut de Microelectrònica i Fotònica de Varsòvia, la Universitat Tècnica de Berlín i l’IFISC (UIB-CSIC) presenta aquests resultats a Optica.1 A més, la recerca ha estat destacada en la secció News and Views del número de novembre de la prestigiosa revista Nature Photonics.2
Des que s’inventaren els làsers, sempre hi ha hagut esforços per augmentar-ne la potència òptica d'emissió. En general, aquests esforços s'han centrat a augmentar la grandària de la regió en la qual es produeix l'emissió estimulada o augmentar l'eficiència de la generació de fotons en aquesta regió. En aquest darrer treball, els investigadors demostren que les obertures òptiques deformades intencionadament indueixen una distribució de la intensitat de la llum espacialment més uniforme en els làsers de superfície de cavitat vertical (VCSEL) d'àrea àmplia i més densitat d'estats òptics. Això, al seu torn, millora l'emissió estimulada de fotons tal com prediu la teoria de l'electrodinàmica quàntica.
Per demostrar-ho, primer proposaren quatre classes de VCSEL, cada una amb diferents obertures d'òxid amb formes deformades que augmenten lleugerament l'àrea d'obertura. Nomenaren les formes segons la semblança dels perfils dels feixos resultants amb les formes de les raquetes utilitzades en els esports: pilota, ping-pong, pàdel, esquaix i tennis, cada una amb deformacions laterals diferents. Aquestes deformacions trenquen la simetria de l'obertura originalment circular i deixen només una simetria de mirall.
Com a conseqüència, la densitat de llum es distribueix de manera més uniforme i les maneres òptiques experimenten menys competència de guany, la qual cosa augmenta la probabilitat d'emissió estimulada i, a causa d'això, també augmenta el nombre d'electrons que es recombinen per unitat de temps. Aquest procés global redueix l'escalfament dels làsers i s'obté més potència òptica màxima emesa. A pesar que l'àrea d'obertura era només un 6% superior, l'equip aconseguí un augment de la potència de sortida de fins al 60% i de l'eficiència quàntica del 10%. Citant els autors de l'article: «Els nostres 'aneguets lleigs' asimètrics es converteixen en 'bells cignes' que brillen molt més».
Els investigadors afirmen que la possibilitat d'augmentar la potència emesa mitjançant aquest mètode pot aplicar-se a altres làsers d'alta potència en els quals s'utilitzen habitualment obertures circulars, com els làsers d'emissió de vora d'àrea àmplia, els làsers d'estat sòlid, els làsers de fibra multimodes i els amplificadors. Els treballs futurs se centraran a determinar les formes òptimes d'obertura d'òxid que s'espera que millorin la potència emesa pel disseny.
[1] A. Brejnak, M. Gębski, A. K. Sokół, M. Marciniak, M. Wasiak, J. Muszalski, J. A. Lott, I. Fischer, and T. Czyszanowski, "Boosting the output power of large-aperture lasers by breaking their circular symmetry," Optica 8, 1167-1175 (2021). https://doi.org/10.1364/OPTICA.421753
[2] O. Graydon, “Asymmetry brings power boost,” Nature Photon. 15, 795 (2021). https://doi.org/10.1038/s41566-021-00899-4
