Les ingénieurs produisent le premier laser titane-saphir pratique au monde sur puce

En ce qui concerne les lasers, ceux en titane-saphir (Ti:saphir) sont considérés comme ayant des performances « inégalées ». Ils sont indispensables dans de nombreux domaines, notamment l’optique quantique de pointe, la spectroscopie et les neurosciences. Mais cette performance a un prix élevé. Les lasers Ti:saphir sont gros, de l’ordre de pieds cubes en volume. Ils sont chers, coûtant des centaines de milliers de dollars chacun. Et ils ont besoin d’autres lasers de grande puissance, coûtant eux-mêmes 30 000 dollars chacun, pour leur fournir suffisamment d’énergie pour fonctionner.

En conséquence, les lasers Ti:saphir n’ont jamais atteint l’adoption large et réelle qu’ils méritent, jusqu’à présent. Dans le cadre d’un bond en avant spectaculaire en termes d’échelle, d’efficacité et de coût, des chercheurs de l’Université de Stanford ont construit un laser Ti:saphir sur une puce. Le prototype est quatre ordres de grandeur plus petit (10 000x) et trois ordres moins cher (1 000x) que n’importe quel laser Ti:saphir jamais produit.

“Il s’agit d’une rupture totale avec l’ancien modèle”, a déclaré Jelena Vučković, professeure Jensen Huang en leadership mondial, professeur de génie électrique et auteur principal de l’article présentant le laser Ti:saphir à l’échelle d’une puce publié dans la revue. Nature.

“Au lieu d’un laser volumineux et coûteux, n’importe quel laboratoire pourrait bientôt disposer de centaines de ces précieux lasers sur une seule puce. Et vous pouvez tout alimenter avec un pointeur laser vert.”

Des avantages profonds

« Lorsque vous passez de la taille d’une table à quelque chose pouvant être produit sur une puce à un coût aussi bas, cela met ces lasers puissants à la portée de nombreuses applications différentes et importantes », a déclaré Joshua Yang, doctorant dans le laboratoire de Vučković et co-premier auteur de l’étude avec les collègues du laboratoire de photonique nanométrique et quantique de Vučković, l’ingénieur de recherche Kasper Van Gasse et le chercheur postdoctoral Daniil M. Lukin.

En termes techniques, les lasers Ti:saphir sont très précieux car ils ont la plus grande « bande passante de gain » de tous les cristaux laser, a expliqué Yang. En termes simples, le gain de bande passante se traduit par une gamme plus large de couleurs que le laser peut produire par rapport aux autres lasers. C’est également ultrarapide, a déclaré Yang. Des impulsions de lumière sont émises tous les quadrillions de seconde.

Mais les lasers Ti:saphir sont également difficiles à trouver. Même le laboratoire de Vučković, qui effectue des expériences de pointe en optique quantique, ne dispose que de quelques-uns de ces lasers précieux à partager. Le nouveau laser Ti:saphir tient sur une puce qui se mesure en millimètres carrés. Si les chercheurs parviennent à les produire en masse sur des plaquettes, des milliers, voire des dizaines de milliers de lasers Ti:saphir pourraient potentiellement être comprimés sur un disque qui tient dans la paume d’une main humaine.

“Une puce est légère. Elle est portable. Elle est peu coûteuse et efficace. Il n’y a pas de pièces mobiles. Et elle peut être produite en série”, a déclaré Yang. “Qu’est-ce qu’il ne faut pas aimer ? Cela démocratise les lasers Ti:saphir.”

Comment c’est fait

Pour façonner le nouveau laser, les chercheurs ont commencé avec une couche massive de titane-saphir sur une plate-forme de dioxyde de silicium (SiO₂), le tout monté sur un véritable verre saphir.

Ils meulent, gravent et polissent ensuite le Ti:saphir jusqu’à obtenir une couche extrêmement fine, de seulement quelques centaines de nanomètres d’épaisseur. Dans cette fine couche, ils dessinent ensuite un vortex tourbillonnant de minuscules crêtes. Ces crêtes sont comme des câbles à fibres optiques, guidant la lumière autour et autour, augmentant ainsi l’intensité. En fait, le motif est connu sous le nom de guide d’ondes.

“Mathématiquement parlant, l’intensité est la puissance divisée par la zone. Ainsi, si vous maintenez la même puissance qu’un laser à grande échelle, mais réduisez la zone dans laquelle elle est concentrée, l’intensité monte en flèche”, explique Yang. “La petite échelle de notre laser nous aide à le rendre plus efficace.”

La pièce restante du puzzle est un radiateur à microéchelle qui réchauffe la lumière traversant les guides d’ondes, permettant à l’équipe Vučković de modifier la longueur d’onde de la lumière émise pour régler la couleur de la lumière entre 700 et 1 000 nanomètres, du rouge à l’infrarouge. .

Pleins feux sur les candidatures

Vučković, Yang et leurs collègues sont très enthousiasmés par la gamme de champs sur lesquels un tel laser pourrait avoir un impact. En physique quantique, le nouveau laser constitue une solution peu coûteuse et pratique qui pourrait considérablement réduire les ordinateurs quantiques de pointe.

En neurosciences, les chercheurs peuvent entrevoir une application immédiate en optogénétique, un domaine qui permet aux scientifiques de contrôler les neurones grâce à la lumière guidée à l’intérieur du cerveau par une fibre optique relativement volumineuse. Selon eux, des lasers à petite échelle pourraient être intégrés dans des sondes plus compactes, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles expérimentations.

En ophtalmologie, il pourrait trouver une nouvelle utilisation avec l’amplification d’impulsions gazouillées, lauréate du prix Nobel, en chirurgie au laser ou offrir des technologies de tomographie par cohérence optique moins coûteuses et plus compactes utilisées pour évaluer la santé de la rétine.

Ensuite, l’équipe travaille au perfectionnement de son laser Ti:saphir à l’échelle d’une puce et aux moyens de les produire en masse, par milliers à la fois, sur des plaquettes. Yang obtiendra son doctorat cet été sur la base de ces recherches et travaille à commercialiser la technologie.

“Nous pourrions installer des milliers de lasers sur une seule plaquette de 4 pouces”, explique Yang. “C’est à ce moment-là que le coût par laser commence à devenir presque nul. C’est plutôt excitant.”