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 excitation photoélectrique ou électrique. Sa taille, souvent de l'ordre de quelques centaines, voire dizaines de microns, et son diamètre, de l'ordre du nanomètre, en font un élément essentiel pour les futurs écrans à couches minces, l'optique intégrée et d'autres domaines.
Classification des nanolasers :
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 – un nanolaser – sur un fil nano-optique mille fois plus fin qu'un cheveu. Ce laser émet non seulement des rayons ultraviolets, mais peut également être accordé pour émettre des rayonnements allant du bleu à l'ultraviolet profond. Les chercheurs ont utilisé une technique courante 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, avec des fils d'oxyde de zinc pur de 20 à 150 nm de diamètre et de 10 000 nm de longueur. Ensuite, lorsqu'ils ont activé ces cristaux d'oxyde de zinc pur à l'aide d'un autre laser sous serre, ces cristaux ont émis un laser d'une longueur d'onde de seulement 17 nm. De tels nanolasers pourraient à terme servir à l'identification chimique et à l'amélioration de la capacité de stockage des disques durs et des ordinateurs photoniques.
2. Nanolaser ultraviolet
Suite à l'avènement des microlasers, des lasers à microdisque, des lasers à microanneau et des lasers à avalanche quantique, le chimiste Yang Peidong et ses collègues de l'Université de Californie à Berkeley ont créé des nanolasers fonctionnant 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 des premières phases de développement, les chercheurs prévoyaient que ce nanolaser à ZnO serait facile à fabriquer, très lumineux, de petite taille et que ses performances seraient égales, voire supérieures, à celles des lasers bleus à GaN. Grâce à la possibilité de réaliser des réseaux de nanofils à haute densité, les nanolasers à ZnO peuvent trouver de nombreuses applications inaccessibles aux dispositifs à GaAs actuels. Pour fabriquer de tels lasers, les nanofils de ZnO sont synthétisés par une méthode de transport en phase gazeuse qui catalyse la croissance épitaxiale. Tout d'abord, un substrat de saphir est recouvert d'une couche d'or de 1 à 3,5 nm d'épaisseur, puis placé sur un creuset en alumine. Le matériau et le substrat sont chauffés entre 880 °C et 905 °C sous flux d'ammoniac afin de produire de la vapeur de zinc, laquelle est ensuite déposée sur le substrat. Des nanofils de 2 à 10 µm, à section hexagonale, sont ainsi générés au cours d'un processus de croissance d'une durée de 2 à 10 minutes. Les chercheurs ont constaté que les nanofils de ZnO forment une cavité laser naturelle d'un diamètre de 20 à 150 nm, la plupart (95 %) présentant un diamètre compris entre 70 et 100 nm. Afin d'étudier l'émission stimulée des nanofils, les chercheurs ont pompé optiquement l'échantillon dans une enceinte à haute température avec le quatrième harmonique d'un laser Nd:YAG (longueur d'onde de 266 nm, durée d'impulsion de 3 ns). L'évolution du spectre d'émission montre une atténuation de la lumière avec l'augmentation de la puissance de pompage. Lorsque l'intensité du laser dépasse le seuil du nanofil de ZnO (environ 40 kW/cm), un pic apparaît dans le spectre d'émission. La largeur spectrale de ce pic est inférieure à 0,3 nm, soit plus de 50 fois inférieure à celle du point d'émission situé en dessous du seuil. Ces faibles largeurs spectrales et l'augmentation rapide de l'intensité d'émission ont conduit les chercheurs à conclure que l'émission stimulée se produit effectivement dans ces nanofils. Par conséquent, ce réseau de nanofils peut servir de résonateur naturel et constituer ainsi une source microlaser idéale. Les chercheurs estiment que ce nanolaser à courte longueur d'onde peut être utilisé dans les domaines du calcul optique, du stockage d'informations et de la nanoanalyse.
3. Lasers à puits quantiques
Avant et après 2010, la largeur des lignes gravées sur les puces semi-conductrices atteignait 100 nm, voire moins. Seuls quelques électrons circulaient dans le circuit, et la variation de leur concentration avait un impact considérable sur son fonctionnement. Pour pallier ce problème, les lasers à puits quantiques ont été développés. En mécanique quantique, un champ de potentiel qui contraint le mouvement des électrons et les quantifie est appelé puits quantique. Cette contrainte quantique est utilisée pour créer des niveaux d'énergie quantiques dans la couche active du laser semi-conducteur. Ainsi, la transition électronique entre ces niveaux d'énergie domine le rayonnement émis par le laser, qui est alors un laser à puits quantique. Il existe deux types de lasers à puits quantiques : les lasers à ligne quantique et les lasers à points quantiques.
① Laser à raie quantique
Des scientifiques ont mis au point des lasers à fil quantique mille fois plus puissants que les lasers traditionnels, une avancée majeure vers la création d'ordinateurs et d'appareils de communication plus rapides. Ce laser, capable d'accroître la vitesse des transmissions audio, vidéo, Internet et autres formes de communication sur les réseaux à fibre optique, a été développé par des chercheurs de l'université de Yale, des laboratoires Bell de Lucent Technologies dans le New Jersey et de l'Institut Max Planck de physique à Dresde, en Allemagne. Ces lasers de plus forte puissance permettraient de réduire le besoin de répéteurs coûteux, installés tous les 80 km le long de la ligne de communication et qui produisent des impulsions laser dont l'intensité diminue lors de leur propagation dans la fibre.
Date de publication : 15 juin 2023