Le nanolaser est un dispositif micro et nanométrique constitué de nanomatériaux tels que des nanofils servant de résonateur et capable d'émettre un laser sous photoexcitation ou excitation électrique. Sa taille est souvent de quelques centaines, voire dizaines de microns, et son diamètre peut atteindre le nanomètre. Il constitue un élément important des futurs écrans à couches minces, de l'optique intégrée et d'autres domaines.
Classification du nanolaser :
1. Laser à nanofils
En 2001, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, aux États-Unis, ont créé le plus petit laser au monde – le nanolaser – sur un fil nanooptique mesurant seulement un millième de la longueur d'un cheveu humain. Ce laser émet non seulement des rayons ultraviolets, mais peut également être réglé pour émettre des lasers allant du bleu à l'ultraviolet profond. Les chercheurs ont utilisé une technique standard appelée épiphytation orientée pour créer ce laser à partir de cristaux d'oxyde de zinc pur. Ils ont d'abord « cultivé » des nanofils, c'est-à-dire formés sur une couche d'or d'un diamètre de 20 à 150 nm et d'une longueur de 10 000 nm. Ensuite, lorsque les chercheurs ont activé les cristaux d'oxyde de zinc pur contenus dans les nanofils avec un autre laser sous serre, ils ont émis un laser d'une longueur d'onde de seulement 17 nm. De tels nanolasers pourraient à terme être utilisés pour identifier des produits chimiques et améliorer la capacité de stockage des disques durs et des ordinateurs photoniques.
2. Nanolaser ultraviolet
Suite à l'avènement des microlasers, des lasers à microdisques, des lasers à microanneaux et des lasers à avalanche quantique, le chimiste Yang Peidong et ses collègues de l'Université de Californie à Berkeley ont fabriqué des nanolasers à température ambiante. Ce nanolaser à oxyde de zinc peut émettre un laser d'une largeur de raie inférieure à 0,3 nm et d'une longueur d'onde de 385 nm sous excitation lumineuse. Il est considéré comme le plus petit laser au monde et l'un des premiers dispositifs pratiques fabriqués grâce aux nanotechnologies. Lors de la phase initiale de développement, les chercheurs ont prédit que ce nanolaser ZnO serait facile à fabriquer, très lumineux, compact et offrirait des performances égales, voire supérieures, à celles des lasers bleus GaN. Grâce à la possibilité de fabriquer des réseaux de nanofils haute densité, les nanolasers ZnO peuvent entrer dans de nombreuses applications inaccessibles aux dispositifs GaAs actuels. Pour fabriquer de tels lasers, des nanofils de ZnO sont synthétisés par transport gazeux, ce qui catalyse la croissance cristalline épitaxiale. Tout d'abord, le substrat en saphir est recouvert d'une couche d'or de 1 nm à 3,5 nm d'épaisseur, puis placé sur une nacelle en alumine. Le matériau et le substrat sont chauffés à 880 °C à 905 °C dans un flux d'ammoniac pour produire de la vapeur de zinc, laquelle est ensuite transportée vers le substrat. Des nanofils de 2 μm à 10 μm de section hexagonale ont été générés au cours d'un processus de croissance de 2 à 10 minutes. Les chercheurs ont découvert que le nanofil de ZnO forme une cavité laser naturelle d'un diamètre de 20 à 150 nm, dont la majeure partie (95 %) est comprise entre 70 nm et 100 nm. Pour étudier l'émission stimulée des nanofils, les chercheurs ont pompé optiquement l'échantillon dans une serre avec la sortie de quatrième harmonique d'un laser Nd:YAG (longueur d'onde de 266 nm, largeur d'impulsion de 3 ns). Au cours de l'évolution du spectre d'émission, la lumière est laminée avec l'augmentation de la puissance de pompage. Lorsque l'émission laser dépasse le seuil du nanofil de ZnO (environ 40 kW/cm), le point le plus élevé apparaît dans le spectre d'émission. La largeur de raie de ces points les plus élevés est inférieure à 0,3 nm, soit plus de 1/50 de la largeur de raie du sommet d'émission sous le seuil. Ces largeurs de raie étroites et l'augmentation rapide de l'intensité d'émission ont conduit les chercheurs à conclure qu'une émission stimulée se produit effectivement dans ces nanofils. Par conséquent, ce réseau de nanofils peut agir comme un résonateur naturel et devenir ainsi une source microlaser idéale. Les chercheurs pensent que ce nanolaser à courte longueur d'onde peut être utilisé dans les domaines de l'informatique optique, du stockage d'informations et des nanoanalyseurs.
3. Lasers à puits quantiques
Avant et après 2010, la largeur de ligne gravée sur la puce semi-conductrice atteindrait 100 nm ou moins, et seuls quelques électrons se déplaceraient dans le circuit. L'augmentation ou la diminution d'un électron aurait un impact considérable sur le fonctionnement du circuit. Pour résoudre ce problème, les lasers à puits quantiques ont vu le jour. En mécanique quantique, un champ de potentiel qui contraint et quantifie le mouvement des électrons est appelé puits quantique. Cette contrainte quantique est utilisée pour former des niveaux d'énergie quantiques dans la couche active du laser à semi-conducteur, de sorte que la transition électronique entre les niveaux d'énergie domine le rayonnement excité du laser, qui est un laser à puits quantique. Il existe deux types de lasers à puits quantiques : les lasers à lignes quantiques et les lasers à points quantiques.
1 Laser à ligne quantique
Des scientifiques ont développé des lasers à fil quantique mille fois plus puissants que les lasers traditionnels, marquant ainsi une étape importante vers la création d'ordinateurs et d'appareils de communication plus rapides. Ce laser, capable d'accroître la vitesse de transmission audio, vidéo, Internet et d'autres formes de communication sur les réseaux à fibre optique, a été développé par des scientifiques de l'Université Yale, de Lucent Technologies Bell LABS dans le New Jersey et de l'Institut Max Planck de physique à Dresde, en Allemagne. Ces lasers plus puissants permettraient de réduire le recours aux coûteux répéteurs, installés tous les 80 km le long de la ligne de communication et produisant des impulsions laser moins intenses lors de leur propagation dans la fibre (répéteurs).
Date de publication : 15 juin 2023