Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
Cet article démontre un laser à rétroaction distribuée dans l'infrarouge moyen, accordable et fonctionnant à température ambiante, utilisant du phosphore noir intégré sur des réseaux photoniques de silicium, atteignant de faibles seuils de laser sous excitation nanoseconde et offrant une plateforme prometteuse pour l'intégration hétérogène avec la photonique sur silicium.
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La lumière qui voyage au milieu du spectre infrarouge est un outil puissant pour voir l'invisible. Cette bande spécifique de lumière, qui se situe juste au-delà de ce que l'œil humain peut voir, traverse l'atmosphère avec facilité et interagit fortement avec les liaisons chimiques des molécules. En raison de cela, les scientifiques et les ingénieurs cherchent depuis longtemps des sources fiables de cette lumière pour détecter les polluants dans l'air, diagnostiquer des maladies par l'analyse de l'haleine ou communiquer des données sans fil sur de longues distances. Pendant des décennies, les dispositifs qui génèrent cette lumière ont été difficiles à manipuler. Ils sont généralement construits à partir d'empilements complexes de différents matériaux cristallins qui doivent être cultivés ensemble avec une précision atomique. Bien que ces lasers traditionnels fonctionnent bien, leurs exigences de fabrication rigides rendent difficile leur combinaison avec les puces de silicium qui alimentent nos composants électroniques modernes. Pour combler ce fossé, les chercheurs se sont tournés vers une nouvelle classe de matériaux : des feuilles minces et flexibles d'atomes qui peuvent être décollées et placées sur presque n'importe quelle surface, un peu comme un autocollant, sans avoir besoin de correspondre parfaitement à la structure cristalline sous-jacente.
Parmi ces matériaux en forme de feuilles, le phosphore noir est apparu comme un candidat particulièrement prometteur pour la génération de lumière infrarouge moyenne. Contrairement à de nombreux autres matériaux qui ne fonctionnent que dans une plage étroite, le phosphore noir peut être accordé pour émettre de la lumière à différentes couleurs simplement en changeant son épaisseur. Cependant, transformer ce matériau en un laser pratique a été un défi. Des expériences précédentes ont montré que le phosphore noir pouvait produire de la lumière laser, mais seulement lorsqu'il était frappé par des bouffées d'énergie extrêmement courtes et intenses qui durent seulement des quadrillionièmes de seconde. Ces impulsions fugaces créent un état chaotique et de courte durée de particules excitées qui est difficile à maintenir. Pour passer à un dispositif concret, les chercheurs devaient prouver que le phosphore noir pouvait émettre un effet laser sous des conditions plus gérables, spécifiquement avec des impulsions qui durent mille fois plus longtemps, ce qui est plus proche de ce que l'électronique standard peut gérer.
Une équipe de chercheurs de Polytechnique Montréal a maintenant démontré exactement cela. Ils ont construit un laser à l'aide d'un mince éclat de phosphore noir placé directement sur une grille de dioxyde de silicium, une surface gravée de micro-crêtes. Cette grille agit comme un miroir qui piège la lumière à l'intérieur de la fine couche, la forçant à rebondir de l'avant vers l'arrière jusqu'à ce qu'elle accumule suffisamment d'énergie pour s'échapper sous la forme d'un faisceau focalisé. En alignant soigneusement la structure cristalline du phosphore noir avec les crêtes de la grille, l'équipe a pu guider la lumière efficacement. Lorsqu'ils ont frappé le dispositif avec une impulsion laser d'un milliardième de seconde, le phosphore noir a répondu en émettant un faisceau de lumière net et étroit dans la gamme infrarouge moyenne. La couleur de cette lumière n'était pas fixe ; en utilisant des éclats de différentes épaisseurs, les chercheurs pouvaient accorder la sortie à des longueurs d'onde comprises entre 3,79 et 4,05 micromètres, couvrant une fenêtre vitale pour les applications de détection.
La performance de ce nouveau laser a été impressionnante, particulièrement en ce qui concerne la quantité d'énergie requise pour le déclencher. À température ambiante, le dispositif a commencé à émettre un effet laser avec une énergie de pompage de seulement 0,25 millijoule par centimètre carré. C'est un seuil remarquablement bas, suggérant que le matériau est hautement efficace pour convertir l'énergie en lumière. Lorsque les chercheurs ont refroidi le dispositif à 110 Kelvin, l'énergie requise pour démarrer le laser a chuté de dix fois, à 0,015 millijoule par centimètre carré. Cette amélioration spectaculaire indique que la capacité du matériau à générer de la lumière est limitée par la chaleur et les interactions entre particules à température ambiante, mais qu'il performe exceptionnellement bien dans un environnement plus froid. L'étude a également révélé que l'épaisseur de l'éclat de phosphore noir joue un rôle critique ; les éclats plus épais piégeaient la lumière plus efficacement, ce qui aidait à abaisser l'énergie nécessaire pour atteindre l'état laser.
Ce travail représente une étape significative dans le développement de sources de lumière compactes et intégrées. En prouvant que le phosphore noir peut générer de la lumière laser sous excitation nanoseconde, les chercheurs ont rapproché le matériau des conditions nécessaires à un fonctionnement électrique, où un courant continu alimenterait le dispositif au lieu d'un laser externe. La capacité d'intégrer ces lasers directement sur des puces de silicium sans croissance cristalline complexe ouvre la voie à une nouvelle génération de capteurs et d'outils de communication. Bien que les expériences actuelles reposent sur un pompage optique, les faibles seuils d'énergie atteints ici suggèrent qu'une version entièrement électrique de ce laser est une possibilité réaliste, apportant potentiellement la puissance de la détection infrarouge moyenne à un éventail beaucoup plus large de technologies quotidiennes.
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