どのような条件下でナノレーザーは真のレーザーとして適格ですか？

• ナノレーザーによって生成されるコヒーレント光は測定が困難です。
• 研究者は、このような困難な測定を実行する方法を発見しました。
• 彼らは、ナノレーザーが真のレーザーとしてどのような条件下で適格であるかを理解するための簡単な公式を開発します。

ここ数年で、ナノレーザーは、約10億分の1メートルのサイズを持つ新しい種類の光源として登場しました。その独自の特性により、巨視的なレーザーとは一線を画しています。

ナノレーザーの設計は、従来のヘテロ構造ベースの半導体レーザーの設計と非常によく似ています。ただし、それらの空洞は非常に小さく、光の波長（赤外線と可視光）の大きさです。

今後数年間で、ナノレーザーは集積光回路で使用され、GPUとCPUのパフォーマンスを向上させ、光ファイバーを介したインターネット接続速度を数桁向上させます。また、生物のニューロン活動を制御するために使用される技術を組み込むこともできます。

ナノレーザーでのコヒーレンスの達成

ナノレーザーには1つの大きな問題があります。それは、その出力放射がどの時点（電流）でコヒーレントになるかがわからないことです。実際のアプリケーションでは、ナノレーザーの2つのフェーズを区別することが重要です。低電流でのインコヒーレント出力を備えたLEDのようなフェーズと、大電流でのコヒーレント出力を備えた真のレイジングアクションです。

実際のレーザーとしての資格を得るには、放射線源がいくつかの要件を満たしている必要があります。最も重要なのは、コヒーレント放射を放出する必要があることです。コヒーレンスは、レイジングしきい値と呼ばれるポイントを超えて達成されます。このポイントより下では、光源は従来のLEDの出力と同じように自発的な放射線を放出します。

このレイジングしきい値は、ポンプ電流と出力パワーの関係を分析することで決定できます（図1A）。ただし、一部の機器には特別な機能がないため（図1bの赤い線）、ポンプ電流対出力電力曲線のしきい値を正確に特定することは非常に困難です。このタイプのナノレーザーは「スレッショルドレス」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式

ナノレーザーによって生成されたコヒーレント光は、数十億ミリ秒の強度変動を捉えるために繊細な機器を必要とするため、測定が困難です。

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実行する方法を発見しました。これには、主要なレーザーパラメータを使用してナノレーザー放射のコヒーレンスを定量化することが含まれます。

参照：Optics Express | doi：10.1364 / OE.26.033473 | MIPT

この方法を使用して、「しきい値のない」ナノレーザーを含むほぼすべてのナノレーザーのしきい値電流を特定できます。これには、レーザー位相とLED相を分離する明確なしきい値があります。ナノレーザーによって放出される放射線は、このしきい値電流より上ではコヒーレントであり、それより下ではインコヒーレントです。

以前は、ナノレーザーの自己発熱性のため、コヒーレント放射を取得することはほとんど不可能でした。したがって、実際のレーザー発振しきい値と幻想的なしきい値を区別することは非常に重要です。

これを行うために、研究者はすべてのナノレーザーに普遍的に使用できる簡単な式を開発しました。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しきい値をすばやく測定できます。

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この新しい研究により、ナノレーザーがその設計に関係なく、どのポンプ電流でコヒーレント放射を生成するかを（事前に）予測することが容易になります。これは、物理学者が所定の特性と保証されたコヒーレンスを備えたナノレーザーを設計および構築するのに役立ちます。