Tutto sintonizzabile in 2D

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8337 (2023) Citare questo articolo

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Viene dimostrato un laser bidimensionale (2D) a stato solido che emette nel visibile, in cui il feedback ottico è fornito da una disposizione disordinata controllata di fori per l'aria in una pellicola polimerica drogata con colorante. Troviamo una densità di dispersione ottimale per la quale la soglia è minima e lo scattering è il più forte. Mostriamo che l'emissione laser può essere spostata verso il rosso diminuendo la densità dello scatterer o aumentando l'area della pompa. Mostriamo che la coerenza spaziale è facilmente controllabile variando l'area della pompa. Un laser casuale 2D di questo tipo fornisce una sorgente laser sintonizzabile compatta su chip e una piattaforma unica per esplorare la fotonica non hermitiana nel visibile.

I laser convenzionali sono noti per la loro elevata coerenza spaziale dovuta al numero limitato di modalità spaziali. A causa di questa proprietà, l’emissione laser è altamente direzionale. D'altro canto, un'elevata coerenza spaziale provoca un rumore speckle1, che è un effetto indesiderato nei sistemi di visualizzazione basati su laser, poiché distrugge il contenuto informativo e riduce la risoluzione2. I laser casuali (RL) sono una nuova classe di laser, in cui la luce è confinata da una diffusione elastica multipla in un mezzo attivo disordinato3. Gli RL rappresentano un'interessante alternativa ai laser convenzionali poiché possono fornire una bassa coerenza spaziale dovuta alla radiazione di diversi modi laser non correlati4. Tali dispositivi laser possono prevenire la formazione di macchioline e produrre immagini di alta qualità simili a quelle prodotte da sorgenti convenzionali spazialmente incoerenti come i diodi emettitori di luce5. Altre potenziali applicazioni di RL possono essere trovate nell'illuminazione dei display6, nella codifica di documenti7, nel bioimaging4 nel rilevamento di tumori8 o nel rilevamento9. I laser a coloranti a stato solido sono stati da tempo previsti come alternativa nel visibile ai laser a coloranti tossici e complessi, portando a laser sintonizzabili altamente efficienti, con potenziali applicazioni nella fotonica integrata10. Sono stati proposti laser casuali flessibili e a basso costo introducendo la diffusione casuale in film organici drogati con coloranti in vari modi11, incluso sfregamento della superficie12, utilizzando cellule viventi biologiche13, mediante ablazione laser14 o introducendo nanobarre15,16, film sottile policristallino17, nematici cristalli liquidi18, nanofogli19, aggregati coloranti20, dielettrici21, ZnO22 o nanoparticelle metalliche23. In tutti questi casi, tuttavia, il mezzo di diffusione non è controllabile, con conseguente aggregazione di particelle e nanofili di dispersione che portano a dimensioni e distribuzione effettive dello scatterer imprevedibili. Ad oggi, è stato dimostrato il laser casuale con guida d'onda planare bidimensionale (2D) con disordine deterministico per lunghezze d'onda non visibili, inclusa la gamma Terahertz24,25,26 e il regime del medio infrarosso27,28. Recentemente, abbiamo segnalato un laser casuale a stato solido unidimensionale basato su disordine deterministico, in cui le scanalature submicrometriche sono state scolpite in un sottile strato polimerico utilizzando la litografia a fascio elettronico29. In questa lettera, estendiamo questo metodo per progettare un laser casuale 2D in film polimerici drogati con una distribuzione disordinata deterministica dei fori d'aria. Una struttura 2D ben controllata offre la possibilità di indagare nuovi aspetti del laser casuale senza alcuna limitazione dovuta al danno ottico del campione. Qui osserviamo picchi laser netti sotto un pompaggio ottico uniforme. Confermiamo che il laser risulta dallo scattering multiplo mostrando come lo spettro di emissione è sensibile al pompaggio locale. La soglia laser viene misurata in funzione della densità del diffusore e dell'area della pompa. Una densità ottimale si trova dove la soglia laser è minima e la diffusione è massima, mentre il controllo della coerenza spaziale si ottiene semplicemente variando il diametro del raggio. Infine, mostriamo che lo spettro di emissione può essere regolato variando la densità dello scatterer e l'area della pompa. L'adattamento del disordine nei film polimerici drogati con laser casuali apre nuove prospettive per indagare l'ottica non hermitiana, comprese le firme modali dei laser casuali 2D, il ruolo delle correlazioni spaziali30, l'impatto della perturbazione locale e dei punti eccezionali31 e il controllo delle caratteristiche del laser32. La luce incoerente con un ampio spettro di diverse decine di nanometri può essere utilizzata per applicazioni basate sull'interferometria a bassa coerenza come la tomografia a coerenza ottica33.