Judith Medina Pardell defensa la seva tesi sobre control de la llum en EEL lasers

La invenció del làser va representar el tret de sortida per nombrosos estudis de la interacció entre la llum i la matèria. A banda, el desenvolupament de nous materials fotònics artificials en escales micro i nanomètriques ha esdevingut un camp fructífer per al control de la propagació i generació de la llum, fins i tot de maneres exòtiques o contra intuïtives, revelant nous fenòmens físics. En aquesta tesi proposem, precisament, utilitzar nous materials fotònics artificials i nous esquemes per controlar la dinàmica espai-temporal dels làsers de semiconductor d’apertura ampla, per millorar-ne les propietats.

Els làsers de semiconductor estan reemplaçant altres fonts de llum làser gràcies a la seva eficiència, format compacte i preu assequible. Malgrat tot, pateixen un gran inconvenient: el deteriorament del feix emès en augmentar la potència, especialment si l'amplada del làser és molt gran respecte la longitud d'ona. Quan l'emissió esdevé altament multimode i inestable en limita les possibles aplicacions. Encara que s'han proposat diferents mecanismes per superar aquest problema, aconseguir una emissió estable sense comprometre’n el format compacte, és encara una qüestió oberta. Aquesta tesi té com a objectiu contribuir a la millora dels làsers de semiconductor i a l’estudi del control de la dinàmica dels làsers mitjançant el nou camp de la fotònica no hermítica. De fet, la física dels sistemes oberts no Hermítics ofereix noves possibilitats per utilitzar la permitivitat complexa per dominar processos òptics i és la causa del recent interès en la fotònica no hermitiana. Primer, es va demostrar en el marc de la Mecànica Quàntica que els sistemes oberts o no Hermítics, tot i tenir guanys o pèrdues poden presentar autovalors reals del Hamiltonià (valors constants de l’energia) i altres comportaments físics inesperats, derivats d’acoblaments asimètrics entre modes. Efecte observat inicialment en sistemes invariants sota la paritat (P-) i la simetria de temps (T-), anomenats PT-simètrics. Els sistemes òptics amb permitivitat complexa són anàlegs clàssics, flexibles i assequibles d’aquests sistemes quàntics per realitzar i explorar aquests nous efectes.

Primer, proposem fer servir una modulació de l’índex de refracció per al filtrat, intacavitat, de l’emissió multimode d’amplificadors i làsers de semiconductor. Per l’anàlisi numèrica desenvolupem un model espai-temporal complet, que inclou dues dimensions espacials, transversal i longitudinal, més l'evolució temporal del camp elèctric i dels portadors. Aquest model s'utilitza al llarg de tota la tesis amb les modificacions corresponents i és contrastat també experimentalment. A continuació, analitzem l’efecte d’imposar modulacions intrínseques de l’índex de refracció i el guany, en fase i, dins del làser de semiconductor. Gràcies a la interacció entre parts reals i imaginàries del potencial no hermític s’aconsegueix una estabilització espacial i temporal. Fent un pas més, dividim la cavitat làser en dos espais PT-simètrics (simetria de mirall) amb un acoblament en sentit oposat. Amb aquesta geometria, esperem obtenir un doble benefici: d'una banda, aconseguir una estabilització espacial-temporal del làser, i per una altra banda, localitzar el camp generat en l'eix de simetria. Es demostra numèricament règims de localització i d’estabilització simultànies, augmentant la potència emesa tot millorant la qualitat dels feix. Finalment, tot i que els làsers més estrets mostren una emissió més estable, els làsers propers s’acoblen quan formen part d’una matriu. Demostrem que l’acoblament asimètric també pot ser utilitzat en barres de làsers de semiconductor per estabilitzar-los temporalment i concentrar-ne l’emissió. L’acoblament asimètric es produeix mitjançant un desplaçament lateral entre el bombeig i l'índex de refracció. En totes els cassos les propostes aconsegueixen una emissió estable i focalitzada que facilitaria l’acoblament directe a fibres òptiques.