Micrografia elettronica a scansione di una cavità a disco diviso WGM polimerico:due semidischi opposti (R=25μm) con un traferro intermedio di diversi micron sono strutturati su un substrato PDMS elastomerico con scrittura laser diretta. Credito:Tobias Siegle, Istituto di tecnologia di Karlsruhe
I risonatori Whispering gallery mode (WGM) vengono utilizzati per realizzare minuscoli micro-laser, sensori, interruttori, router e altri dispositivi. Queste minuscole strutture si basano su un fenomeno simile a un effetto osservato nelle gallerie circolari, come in alcune cattedrali o musei, dove le onde sonore viaggiano attraverso la galleria e vengono riflesse e rifocalizzate abbastanza strettamente da poter sentire un sussurro da un lato dall'altro.
Lo stesso fenomeno si applica alla luce. Quando la luce viene immagazzinata in risonatori attivi a forma di anello o sferici, le onde si sovrappongono in modo tale da provocare luce laser. Questa settimana in Fotonica APL , i ricercatori segnalano un nuovo tipo di micro-laser WGM drogato con colorante che produce luce con lunghezze d'onda regolabili. Non solo la gamma di sintonizzazione dei nuovi dispositivi è più ampia di quanto sia stato possibile in passato, è completamente reversibile.
Una caratteristica unica del design, secondo l'autore principale Tobias Siegle del Karlsruhe Institute of Technology in Germania, è che la messa a punto è resa possibile modificando le dimensioni di un substrato flessibile. L'allungamento del substrato cambia la distanza tra i due lati del disco diviso nel risonatore e quindi, la lunghezza d'onda della luce prodotta.
Il disco stesso è in genere di circa 25 micron di diametro, con uno spazio iniziale tra le sue due metà di circa 2,5 micron, solo il 3% del diametro di un tipico capello umano. Il disco è montato su un elastomero, o substrato di plastica elastica, che può essere tirato in una direzione perpendicolare alla spaccatura del disco, diminuendo la dimensione del gap. La luce prodotta da questi micro-laser si sposta verso la gamma blu dello spettro quando la dimensione del gap diminuisce. Hanno osservato spostamenti di lunghezza d'onda di diversi nanometri nell'intervallo visibile.
"Il nostro nuovo design produce un'ampia gamma di accordatura che non può essere facilmente raggiunta con altri risonatori WGM, " Disse Siegle. "Inoltre, il meccanismo di accordatura è completamente reversibile."
Illustrazione schematica del processo di sintonizzazione:il gap e quindi la lunghezza d'onda di risonanza degli split-disk possono essere sintonizzati allungando meccanicamente il substrato (frecce blu) e sfruttando la contrazione laterale del substrato (frecce verdi). Credito:Tobias Siegle, Istituto di tecnologia di Karlsruhe
Questa caratteristica consente l'utilizzo del dispositivo nella ricerca ottica fondamentale. Un'altra caratteristica della tecnologia a disco diviso è la maggiore sensibilità nel rilevamento dell'indice di rifrazione.
"Per una larghezza del gap di 1,4 micron, le prestazioni di rilevamento sono aumentate del 65 percento, "Siegle ha detto, quando si confronta con un risonatore del disco di riferimento senza spazio.
I dispositivi più utili hanno una soglia laser bassa, poiché ciò consente l'utilizzo di piccole quantità di energia. Una soglia bassa riduce o impedisce il fotosbiancamento delle molecole di colorante utilizzate nel dispositivo e ne aumenta la durata prevista. I ricercatori hanno testato il loro design e hanno trovato laser a bassa soglia per dischi divisi fabbricati utilizzando una tecnica di litografia 3-D o a fascio di elettroni.
Un'altra quantità che hanno studiato è la qualità, o fattore Q, che corrisponde al tempo di conservazione dei fotoni nella cavità laser. È desiderabile un valore Q elevato, e sebbene i ricercatori abbiano scoperto che il loro design a disco diviso riduceva in qualche modo Q, la soglia laser era all'interno di un intervallo appropriato, rendere prezioso il design.
Il lavoro futuro sarà focalizzato sullo sviluppo di guide d'onda risonanti accoppiate sintonizzabili, che possono essere utilizzati come linee di ritardo o filtri ottici, e in altre applicazioni.