De minuscules nouveaux lasers comblent une lacune de longue date dans l’arc-en-ciel des couleurs de la lumière visible, ouvrant la voie à de nouvelles applications

Il n’est pas facile de fabriquer des lasers verts. Depuis des années, les scientifiques fabriquent de petits lasers de haute qualité qui génèrent de la lumière rouge et bleue. Cependant, la méthode qu’ils emploient habituellement, à savoir injecter du courant électrique dans des semi-conducteurs, ne fonctionne pas aussi bien pour construire de minuscules lasers qui émettent de la lumière dans les longueurs d’onde jaune et verte.

Les chercheurs qualifient de « trou vert » la pénurie de lasers miniatures stables dans cette région du spectre de la lumière visible. Combler ce trou ouvre de nouvelles perspectives dans les communications sous-marines, les traitements médicaux et bien plus encore.

Les pointeurs laser verts existent depuis 25 ans, mais ils produisent de la lumière uniquement dans un spectre vert étroit et ne sont pas intégrés dans des puces où ils pourraient fonctionner avec d’autres appareils pour effectuer des tâches utiles.

Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont désormais réussi à combler cette lacune écologique en modifiant un minuscule composant optique : un microrésonateur en forme d’anneau, suffisamment petit pour tenir sur une puce. Cette recherche est publiée dans la revue Lumière : science et applications.

Une source miniature de lumière laser verte pourrait améliorer la communication sous-marine, car l’eau est presque transparente aux longueurs d’onde bleu-vert dans la plupart des environnements aquatiques. D’autres applications potentielles sont les écrans de projection laser en couleur et le traitement au laser de maladies, notamment la rétinopathie diabétique, une prolifération de vaisseaux sanguins dans l’œil.

Les lasers compacts dans cette gamme de longueurs d’onde sont également importants pour les applications en informatique et communication quantiques, car ils pourraient potentiellement stocker des données en qubits, l’unité fondamentale de l’information quantique. Actuellement, ces applications quantiques dépendent de lasers de plus grande taille, de poids et de puissance, ce qui limite leur capacité à être déployés en dehors du laboratoire.

Depuis plusieurs années, une équipe dirigée par Kartik Srinivasan du NIST et du Joint Quantum Institute (JQI), un partenariat de recherche entre le NIST et l’Université du Maryland, utilise des microrésonateurs composés de nitrure de silicium pour convertir la lumière laser infrarouge en d’autres couleurs. Lorsque la lumière infrarouge est pompée dans le résonateur en forme d’anneau, la lumière tourne des milliers de fois jusqu’à atteindre des intensités suffisamment élevées pour interagir fortement avec le nitrure de silicium. Cette interaction, connue sous le nom d’oscillation paramétrique optique (OPO), produit deux nouvelles longueurs d’onde de lumière, appelées idler et signal.

Dans des études précédentes, les chercheurs ont généré quelques couleurs individuelles de lumière laser visible. En fonction des dimensions du microrésonateur, qui déterminent les couleurs de lumière générées, les scientifiques ont produit des longueurs d’onde rouges, oranges et jaunes, ainsi qu’une longueur d’onde de 560 nanomètres, juste à la frontière entre la lumière jaune et la lumière verte. Cependant, l’équipe n’a pas pu générer la totalité des couleurs jaune et verte nécessaires pour combler le vide vert.

« Nous ne voulions pas nous contenter de quelques longueurs d’onde », explique Yi Sun, scientifique du NIST et collaborateur de la nouvelle étude. « Nous voulions accéder à toute la gamme des longueurs d’onde de l’intervalle. »

Pour combler cette lacune, l’équipe a modifié le microrésonateur de deux façons. Tout d’abord, les scientifiques l’ont légèrement épaissi. En modifiant ses dimensions, les chercheurs ont pu générer plus facilement une lumière pénétrant plus profondément dans la lacune verte, à des longueurs d’onde aussi courtes que 532 nanomètres (milliardièmes de mètre). Grâce à cette portée étendue, les chercheurs ont pu couvrir l’intégralité de la lacune.

De plus, l’équipe a exposé le microrésonateur à plus d’air en éliminant une partie de la couche de dioxyde de silicium située en dessous. Cela a eu pour effet de rendre les couleurs de sortie moins sensibles aux dimensions du microanneau et à la longueur d’onde de la pompe infrarouge. La sensibilité plus faible a donné aux chercheurs plus de contrôle pour générer des longueurs d’onde vertes, jaunes, oranges et rouges légèrement différentes à partir de leur appareil.

Les chercheurs ont ainsi découvert qu’ils pouvaient créer plus de 150 longueurs d’onde distinctes dans la bande verte et les ajuster avec précision. « Auparavant, nous pouvions apporter de grands changements (du rouge à l’orange, du jaune au vert) dans les couleurs laser que nous pouvions générer avec l’OPO, mais il était difficile de faire de petits ajustements dans chacune de ces bandes de couleurs », a noté Srinivasan.

Les scientifiques travaillent actuellement à améliorer l’efficacité énergétique avec laquelle ils produisent les couleurs laser à espace vert. Actuellement, la puissance de sortie ne représente que quelques pour cent de celle du laser d’entrée. Un meilleur couplage entre le laser d’entrée et le guide d’ondes qui canalise la lumière dans le microrésonateur, ainsi que de meilleures méthodes d’extraction de la lumière générée, pourraient améliorer considérablement l’efficacité.

Les auteurs incluent Jordan Stone et Xiyuan Lu de JQI, ainsi que Zhimin Shi de Meta’s Reality Labs Research à Redmond, Washington.