Aumentar la potencia de salida de los láseres rompiendo su simetría
11 de Noviembre de 2021
En los láseres de semiconductores de gran apertura es posible obtener perfiles de intensidad luminosa más uniformes si se deforma intencionadamente su apertura óptica. Un equipo internacional de la Universidad Tecnológica de Łodz, el Instituto de Microelectrónica y Fotónica de Varsovia, la Universidad Técnica de Berlín y el IFISC (UIB-CSIC) presenta estos resultados en Optica [1]. Además, la investigación ha sido destacada en la sección "News and Views" del número de noviembre de la prestigiosa revista Nature Photonics [2].
Desde que se inventaron los láseres, no han cesado los esfuerzos por aumentar su potencia óptica de emisión. En general, estos esfuerzos se han centrado en aumentar el tamaño de la región en la que se produce la emisión estimulada o en aumentar la eficiencia de la generación de fotones en esa región. En este nuevo trabajo, los investigadores demuestran que las aberturas ópticas deformadas intencionadamente inducen una distribución de la intensidad de la luz espacialmente más uniforme en los láseres de superficie de cavidad vertical (VCSEL) de área amplia y una mayor densidad de estados ópticos. Esto, a su vez, mejora la emisión estimulada de fotones tal y como predice la teoría de la electrodinámica cuántica.
Para demostrarlo, primero propusieron cuatro clases de VCSEL, cada una con diferentes aperturas de óxido con formas deformadas que aumentan ligeramente el área de apertura. Nombraron las formas según el parecido de los perfiles de los haces resultantes con las formas de las raquetas utilizadas en los deportes: pelota, ping-pong, pádel, squash y tenis, cada una con diferentes deformaciones laterales. Estas deformaciones rompen la simetría de la abertura originalmente circular dejando sólo una simetría de espejo.
Como consecuencia, la densidad de luz se distribuye de forma más uniforme y los modos ópticos experimentan una menor competencia de ganancia, lo que aumenta la probabilidad de emisión estimulada y, debido a ello, también aumenta el número de electrones que se recombinan por unidad de tiempo. Este proceso global reduce el calentamiento de los láseres y se obtiene una mayor potencia óptica máxima emitida. A pesar de que el área de apertura era sólo un 6% mayor, el equipo consiguió un aumento de la potencia de salida de hasta el 60% y de la eficiencia cuántica del 10%. Citando a los autores del artículo: "Nuestros 'patitos feos' asimétricos se convierten en 'hermosos cisnes' que brillan mucho más".
Los investigadores afirman que la posibilidad de aumentar la potencia emitida mediante este método puede aplicarse a otros láseres de alta potencia en los que se utilizan habitualmente aperturas circulares, como los láseres de emisión de borde de área amplia, los láseres de estado sólido, los láseres de fibra multi-modo y los amplificadores. Los trabajos futuros se centrarán en determinar las formas óptimas de apertura de óxido que se espera que mejoren la potencia emitida por el diseño.
[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
