激子极化激元激光器展现出超高光谱纯度

激子极化激元激光器以其低功耗而闻名，长期以来一直以其在低能耗实际应用中的潜力吸引着研究人员。然而，到目前为止，仍然无法准确测量激光的线宽或光谱纯度。

“光谱纯度是激光的决定性特征之一，它表明各个光子能量或频率彼此之间的接近程度，”ARC DECRA 研究员 Eliezer Estrecho 博士说。

激光的光谱纯度通过线宽来量化。测量线宽的挑战在于激子极化子之间以及与环境之间的强烈相互作用，这会导致显著的波动。以前的测量需要在很长一段时间内取平均值才能确定线宽，这会导致人为地扩大线宽。

为了避免平均，研究人员采用了一种新的精确测量方法，即使用商用扫描法布里-珀罗干涉仪。这项研究发表在《Optica》杂志上。

FLEET 博士生 Bianca Rae Fabricante 评论道：“干涉仪能够实现前所未有的细节水平，而这在以前使用传统技术进行测量时是无法实现的。”

实验表明，与之前的假设相反，激光器可以保持 56 MHz 或 0.24 µeV 的超窄线宽，比之前公布的结果小 10 倍。

这使得极化子激光器与目前领先的 VCSELS 技术相媲美，后者广泛应用于面部识别和增强现实。

FLEET 研究员 Mateusz Król 博士表示：“由于极化子激光器可以在较低功率下运行，因此在低能量应用方面可能比 VCSELS 更好。”

低功率操作是可能的，因为这些激光器的相干辐射来自宏观布居的相干量子态——激子极化子的玻色子凝聚态。与依赖粒子数反转的传统激光器不同，激光发射可以在较低的泵浦功率下实现。

该研究还通过证明相干激子极化子凝聚体与非相干粒子库之间的重叠不会显著加宽线宽，挑战了传统观点。

这是个好消息，因为非相干库总是与激子极化子共存，最初被认为不可避免地会给极化子激光器带来很大的噪音。研究表明，只要极化子被限制或捕获，这种影响就很微弱。

“我们的工作不仅突破了激子极化激光技术的界限，而且还为利用激子极化进行经典和量子计算开辟了新途径，”埃斯特雷科博士评论道。

窄线宽意味着长相干时间，在这种情况下至少为 5.7 纳秒。

理论上，这段时间足以对激光源(一种凝聚激子极化子的宏观量子态)进行数千次连续操作。这是极化子量子信息处理应用的关键步骤。

这项研究的影响远远超出了激子极化子领域，为更广泛的领域提供了宝贵的见解。与光子和原子激光器相比，这项研究为更深入地了解噪声光谱和对各种应用至关重要的光谱特性铺平了道路。

“自从发现以来，不需要粒子数反转的低阈值极化子激光器一直在等待实际应用。我们的研究表明，此类应用可能比以前想象的更广泛，”FLEET 主题 2 负责人 Elena Ostrovskaya 教授补充道。