Laser au carré : un deux

Article du 17 juillet 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les lasers sont une invention historique importante avec un impact omniprésent dans la société. Le concept a également des applications interdisciplinaires comme les lasers à phonons et les lasers à atomes. Un laser dans un domaine physique peut être pompé par de l'énergie dans un autre. Néanmoins, jusqu’à présent, tous les lasers démontrés dans la pratique n’ont fonctionné que dans un seul domaine physique.

Dans un nouveau rapport publié dans Science Advances, Ning Wang et une équipe de recherche du Collège d'optique et de photonique de l'Université de Floride centrale, aux États-Unis, et du groupe Prysmian en France ont démontré le processus simultané d'émission laser de photons et de phonons. Le laser à deux domaines a de multiples applications en tant que pincettes optiques et acoustiques pour effectuer une détection mécanique afin de générer des micro-ondes et effectuer un traitement quantique. L’équipe espère que cette démonstration ouvrira de nouvelles voies pour les applications multidomaines liées au laser.

Les lasers sont une extension des oscillateurs électroniques aux radiofréquences et des masers aux microfréquences dans la région optique. Les lasers ont d'énormes applications avec de nouvelles extensions du concept dans des domaines tels que les oscillateurs acoustiques, également appelés sasers, et les oscillateurs à ondes atomiques ou de matière. Le concept de laser décrit traditionnellement un oscillateur optique basé sur une émission stimulée, bien que les termes laser à phonons et laser atome/matière soient également assez courants.

Il existe quelques applications dans lesquelles le processus d’émission simultanée de photons et de phonons peut être utile. Il s’agit notamment du développement de pinces acoustiques à l’échelle submillimétrique. L’imagerie biologique ultrasonique et photonique combinée pour une qualité d’imagerie améliorée et les lasers à deux domaines ont une portée dans le traitement et la détection de l’information quantique. Les démonstrations existantes ont montré que l'onde acoustique optique de Stokes était un sous-produit d'un laser à phonon. Dans ce travail, Wang et ses collègues ont développé un système d'oscillateurs couplés qui émettaient dans deux domaines physiques distincts pompés à partir de la même source pour montrer comment l'émission simultanée de photons et de phonons à deux domaines augmentait les puissances de sortie des lasers à photons et à phonons.

L’équipe a généré l’onde acoustique de flexion basse fréquence en utilisant la diffusion Brillouin stimulée vers l’avant ; l'interaction des photons et des phonons au sein d'une fibre bimode. Les phonons basse fréquence étaient confinés dans la fibre de silice avec une longue durée de vie de 10 millisecondes. La longueur de propagation était d'environ 10 mètres, permettant également aux phonons d'être émis. Dans la configuration expérimentale, l'oscillation cohérente de l'onde optique a amélioré le gain des phonons acoustiques et vice versa, pour générer un effet laser dans deux domaines.

L'équipe a noté quatre états de fonctionnement dans le dispositif en augmentant la puissance de la pompe optique pour produire un laser de photons et de phonons pour lequel les gains de l'onde optique de Stokes et de l'onde acoustique devaient dépasser leurs pertes. Les expérimentateurs ont mis au point une méthode permettant de permettre à l'énergie des phonons de pénétrer dans la cavité annulaire afin de faciliter l'émission laser des phonons. Alors que la puissance du laser à phonons était confinée à l'intérieur de la cavité, le laser optique de Stokes était visible à la sortie du coupleur.

Au cours des expériences, les chercheurs ont utilisé une diode de pompe couplée à une fibre de 976 nm avec une puissance de sortie maximale de 400 mW. Ils ont utilisé un refroidisseur thermoélectrique pour réguler la température fonctionnelle du système. La pompe est lancée dans une fibre bimode couplée dans la cavité annulaire de diamètre extérieur.