2D sintonizável tudo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8337 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

É demonstrado um laser aleatório bidimensional (2D) de estado sólido que emite no visível, no qual o feedback óptico é fornecido por um arranjo desordenado controlado de orifícios de ar em um filme de polímero dopado com corante. Encontramos uma densidade de espalhamento ideal para a qual o limite é mínimo e a dispersão é a mais forte. Mostramos que a emissão do laser pode ser desviada para o vermelho diminuindo a densidade do espalhador ou aumentando a área da bomba. Mostramos que a coerência espacial é facilmente controlada variando a área da bomba. Esse laser aleatório 2D fornece uma fonte de laser sintonizável compacta no chip e uma plataforma exclusiva para explorar a fotônica não hermitiana no visível.

Os lasers convencionais são conhecidos por sua alta coerência espacial devido ao número limitado de modos espaciais. Devido a esta propriedade, a emissão do laser é altamente direcional. Por outro lado, alta coerência espacial causa speckle noise1, que é um efeito indesejado em sistemas de exibição baseados em laser, pois destrói o conteúdo da informação e reduz a resolução2. Lasers aleatórios (RL) são uma nova classe de lasers, onde a luz é confinada por espalhamento elástico múltiplo em um meio ativo desordenado3. Os RL são uma alternativa interessante aos lasers convencionais, pois podem fornecer baixa coerência espacial devido à radiação de vários modos de laser não correlacionados4. Tais dispositivos de laser podem prevenir a formação de speckle e produzir imagens de alta qualidade semelhantes àquelas produzidas por fontes convencionais espacialmente incoerentes, como diodos emissores de luz5. Outras aplicações potenciais de RL podem ser encontradas em exibição de iluminação6, codificação de documentos7, bioimagem4 detecção de tumor8 ou detecção9. Lasers de corantes de estado sólido há muito são previstos como uma alternativa no visível aos lasers de corantes tóxicos e complexos, levando a lasers sintonizáveis ​​altamente eficientes, com aplicações potenciais em fotônica integrada10. Lasers aleatórios flexíveis e de baixo custo foram propostos introduzindo espalhamento aleatório em filmes orgânicos dopados com corante de várias maneiras11, incluindo esfregando a superfície12, usando células vivas biológicas13, por ablação a laser14 ou introduzindo nanobastões15,16, filme fino policristalino17, nemático cristais líquidos18, nanofolhas19, agregados corantes20, dielétrico21, ZnO22 ou nanopartículas metálicas23. Em todos esses casos, no entanto, o meio de espalhamento não é controlável, resultando na agregação de partículas de espalhamento e nanofios que levam a um tamanho e distribuição efetivos imprevisíveis do espalhador. Até o momento, lasers aleatórios de guia de onda planar bidimensional (2D) com distúrbio determinístico foram demonstrados para comprimentos de onda não visíveis, incluindo faixa de Terahertz24,25,26 e regime de infravermelho médio27,28. Recentemente, relatamos um laser aleatório de estado sólido unidimensional baseado em desordem determinística, onde sulcos submicrométricos foram esculpidos em uma fina camada de polímero usando litografia de feixe eletrônico29. Nesta carta, estendemos este método para projetar um laser aleatório 2D em filmes de polímero dopados com corante com uma distribuição desordenada determinística de orifícios de ar. Essa estrutura 2D bem controlada oferece a possibilidade de investigar novos aspectos do laser aleatório sem qualquer limitação devido ao dano óptico da amostra. Aqui, observamos picos agudos de laser sob bombeamento óptico uniforme. Confirmamos que o laser resulta de espalhamento múltiplo, mostrando como o espectro de emissão é sensível ao bombeamento local. O limite de laser é medido em função da densidade do espalhador e da área da bomba. Uma densidade ideal é encontrada onde o limite de laser é mínimo e a dispersão é a mais forte, enquanto o controle da coerência espacial é alcançado simplesmente variando o diâmetro do feixe. Finalmente, mostramos que o espectro de emissão pode ser ajustado variando a densidade do espalhador, bem como a área da bomba. Adaptar a desordem em filmes de polímeros dopados com corantes de lasers aleatórios abre novas perspectivas para investigar óptica não-hermitiana, incluindo assinaturas modais de lasers aleatórios 2D, papel de correlações espaciais30, impacto de perturbação local e pontos excepcionais31 e controle de características de laser32. A luz incoerente com amplo espectro de várias dezenas de nanômetros pode ser utilizada para aplicações baseadas em interferometria de baixa coerência, como a tomografia de coerência óptica33.