2D настраиваемое все

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8337 (2023) Цитировать эту статью

1054 доступа

Подробности о метриках

Демонстрируется двумерный (2D) твердотельный случайный лазер, излучающий в видимом диапазоне, в котором оптическая обратная связь обеспечивается контролируемым неупорядоченным расположением воздушных отверстий в полимерной пленке, легированной красителем. Находим оптимальную плотность рассеивателей, при которой порог минимален, а рассеяние максимально. Мы показываем, что лазерное излучение можно сместить в красную сторону либо за счет уменьшения плотности рассеивателей, либо за счет увеличения площади накачки. Мы показываем, что пространственная когерентность легко контролируется путем изменения площади накачки. Такой двумерный случайный лазер представляет собой компактный встроенный в кристалл перестраиваемый лазерный источник и уникальную платформу для исследования неэрмитовой фотоники в видимой области спектра.

Обычные лазеры известны своей высокой пространственной когерентностью из-за ограниченного числа пространственных мод. Благодаря этому свойству лазерное излучение является высоконаправленным. С другой стороны, высокая пространственная когерентность вызывает спекл-шум1, который является нежелательным эффектом в лазерных системах отображения, поскольку он разрушает информационный контент и снижает разрешение2. Случайные лазеры (СР) — новый класс лазеров, в которых свет удерживается за счет многократного упругого рассеяния в активной неупорядоченной среде3. RL являются интересной альтернативой традиционным лазерам, поскольку они могут обеспечить низкую пространственную когерентность за счет излучения нескольких некоррелированных мод генерации4. Такие лазерные устройства могут предотвращать образование спеклов и создавать высококачественные изображения, аналогичные тем, которые производятся обычными пространственно-некогерентными источниками, такими как светодиоды5. Другие потенциальные применения RL можно найти в освещении дисплеев6, кодировании документов7, биовизуализации4, обнаружении опухолей8 или зондировании9. Твердотельные лазеры на красителях уже давно рассматриваются как альтернатива лазерам на токсичных и сложных красителях видимого диапазона, что приводит к созданию высокоэффективных перестраиваемых лазеров с потенциальным применением в интегрированной фотонике10. Недорогие и гибкие случайные лазеры были предложены путем введения случайного рассеяния в органические пленки, легированные красителями, различными способами11, в том числе путем натирания поверхности12, использования биологических живых клеток13, лазерной абляции14 или путем введения наностержней15,16, поликристаллических тонких пленок17, нематических жидкие кристаллы18, нанолисты19, агрегаты красителей20, диэлектрик21, ZnO22 или металлические наночастицы23. Однако во всех этих случаях рассеивающая среда не поддается контролю, что приводит к агрегации рассеивающих частиц и нанопроволок, что приводит к непредсказуемому эффективному размеру и распределению рассеивателя. На сегодняшний день была продемонстрирована случайная генерация двумерного (2D) планарного волновода с детерминированным беспорядком для невидимых длин волн, включая терагерцовый диапазон24,25,26 и средний инфракрасный режим27,28. Недавно мы сообщили об одномерном полностью твердотельном случайном лазере на основе детерминированного беспорядка, в котором субмикрометровые канавки вырезались в тонком слое полимера с помощью электронно-лучевой литографии29. В этой статье мы расширяем этот метод для создания двумерного случайного лазера в полимерных пленках, легированных красителями, с детерминированным неупорядоченным распределением воздушных отверстий. Такая хорошо контролируемая двумерная структура дает возможность исследовать новые аспекты случайной генерации без каких-либо ограничений из-за оптического повреждения образца. Здесь мы наблюдаем резкие пики генерации при однородной оптической накачке. Мы подтверждаем, что генерация возникает в результате многократного рассеяния, показывая, насколько чувствителен спектр излучения к локальной накачке. Порог генерации измеряется в зависимости от плотности рассеивателей и площади накачки. Оптимальная плотность находится там, где порог генерации минимален и рассеяние максимально, а управление пространственной когерентностью достигается простым изменением диаметра пучка. Наконец, мы показываем, что спектр излучения можно настраивать, варьируя плотность рассеивателей, а также площадь накачки. Настройка беспорядка в полимерных пленках, легированных красителем, в случайных лазерах открывает новые перспективы для исследования неэрмитовой оптики, включая модальные характеристики двумерных случайных лазеров, роль пространственных корреляций30, влияние локальных возмущений и исключительных точек31, а также управление характеристиками лазера32. Некогерентный свет с широким спектром в несколько десятков нанометров может быть использован для приложений, основанных на низкокогерентной интерферометрии, таких как оптическая когерентная томография33.

250 \(\upmu\)m), modal density becomes large and lasing peaks strongly overlap spectrally (brown plot in Fig. 3a). On further increasing pump area, the emission spectrum appears quasi-continuous because of high lasing mode density. This shows the ability to control the spatial coherence of this device by simply varying the beam diameter. Next, we investigate the dependence of the lasing threshold on pump area for a sample having FF = 0.17%. Laser threshold versus pump spot diameter is shown in Fig. 3b. The pump spot diameter, which varies between 120 and 1000 \(\upmu\)m, is directly measured by imaging the sample surface from the top. The laser threshold is measured by plotting the maximum of the emission spectrum as a function of pump intensity. For small pump diameter where emission spectra have discrete multiple lasing peaks (blue plot in Fig. 3a), we consider the intensity count of the highest peak, which is near the center of the emission spectra. For larger pump diameter, when mode overlap is strong (brown plot in Fig. 3a), the maximum of the global emission spectrum is considered. We find experimental data are well fitted by a power law, with an exponent \(-0.57\). This is consistent with values reported in the literature38. Power law dependence of the lasing threshold on pump area is attributed to the decrease in return probability of the scattered light in gain volume with decreasing pump size38,39. Interestingly, we also observe a spectral shift in the emission spectrum peak when varying pump area. For a given pump energy density, a larger pump area emits a red-shifted emission spectrum compared to the emission spectrum at a smaller pump area. Figure 3c shows the redshift of the emission spectrum with increasing pump area. A total shift of 7 nm is observed when the pump diameter is varied from 100 to 1000 \(\upmu\)m. We suggest a possible explanation for this observation. Out-of-plane scattering is the dominant loss mechanism in our system, since reabsorption by the DCM dye is negligible. Actually, this mechanism contributes to loss in two different ways, which must be balanced by gain40: (a) "Vertical loss" in the gain region, which is uniform on average and does not affect the nature of the modes; (b) "Leakage" beyond the gain region, where photons are lost and never return in the gain region. This local loss induces modal confinement, modal intensity redistribution, and frequency shift41. For large pumping area, the first loss mechanism dominates and is advantageously reduced by shifting to longer wavelengths, since out-of-plane vertical scattering decreases towards larger wavelengths. When pumping smaller area, leakage is naturally decreased by increasing scattering within the gain region. Increasing scattering is achieved by a shift towards smaller wavelengths (blueshift), where scattering is stronger./p>

Блог