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ナノレーザーは真のレーザーとして認められるのか?

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本記事は、Under What Conditions Nanolasers Qualify As True Lasers?
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約2分5秒

・ナノレーザーから発生するコヒーレント光は、測定が困難です。

・研究者たちは、難しい測定を行う方法を発見しました。

・彼らは、どのような条件下でナノレーザーが真のレーザーとして認められるかを知るための簡単な数式を開発しました。

 

ここ数年、10億分の1メートル程度の大きさの新しい光源であるナノレーザーが登場しました。マクロなレーザーとは違う面白い特性を持っています。ナノレーザーの設計は、従来のヘテロ構造を用いた半導体レーザーと非常によく似ています。しかし、共振器が極めて小さく、光の波長(赤外線や可視光)と同じくらいの大きさです。

 

今後、ナノレーザーは光集積回路に使われ、GPUやCPUの性能を向上させたり、光ファイバーによるインターネットの接続速度を何桁もアップさせたりすることが可能になります。また、生体の神経細胞の活動を制御するような技術に組み込まれる可能性もあります。

 

ナノレーザーを干渉させる

ナノレーザーには、どの時点(電流)で出力放射がコヒーレントになるかが分からないという大きな問題があります。実際のアプリケーションでは、ナノレーザーの2つの段階を区別することが重要です。低電流ではインコヒーレントな出力を持つLEDのような段階、高電流ではコヒーレントな出力を持つ真のレーザー作用が現れます。

 

本物のレーザーとして認められるためには、いくつかの要件を満たさなければならない。最も重要なのは、コヒーレントな放射線を放出することです。コヒーレント性は、発振しきい値と呼ばれるポイント以上で達成されます。それ以下では、従来のLEDの出力と変わらない自然放射を放ちます。

 

 

この発光の限界値は、ポンプ電流と出力電力の関係を解析することで決定することができます(図1A)。しかし、装置によっては特別な特徴を示さないものもあり(図1Bの赤線)、ポンプ電流-出力電力曲線から限界値を特定することは非常に困難です。このようなナノレーザーは、「thresholdless」と呼ばれます。

 

コヒーレンスを直接測定するための新しい数式

ナノレーザーで発生するコヒーレント光は、10億分の1ミリ秒の強度変動をとらえる繊細な装置が必要なため、測定が困難でした。

 

モスクワ物理技術研究所の科学者たちは、このような難しい測定を行う方法を発見しました。それは、主なレーザーパラメーターを用いて、ナノレーザー放射のコヒーレンスを定量化することです。

 

この方法は、発振フェーズとLEDフェーズを分離する明確な基準値を持つ「thresholdless」ナノレーザーを含む、ほぼすべてのナノレーザーについて基準値の電流を正確に特定するために用いることができます。ナノレーザーから放出される放射線は、この基準値電流以上ではコヒーレントで、以下ではインコヒーレントです。

 

これまで、ナノレーザーは自己発熱するため、コヒーレントな放射を得ることはほとんど不可能でした。そのため、実際の発振基準値と幻の基準値を区別することは非常に重要です。

 

 

そこで研究者たちは、すべてのナノレーザーに共通に適用できる簡単な数式を開発しました。この式と入出力パラメータ(図2)を利用することで、物理学者は、構築した構造の基準値を迅速に測定することができます。

 

この新しい研究により、ナノレーザーの設計に関係なく、どの程度のポンプ電流でコヒーレント放射が得られるかを(事前に)容易に予測できるようになりました。このことは、物理学者があらかじめ特性を設定して、コヒーレント性が保証されたナノレーザーを設計・製造するのに役立つと考えられています。

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