Judith Medina Pardell defiende su tesis sobre control de la luz en EEL lasers

La invención del láser representó el pistoletazo de salida de numerosos estudios sobre la interacción entre la luz y la materia. A parte, el desarrollo de nuevos materiales fotónicos artificiales en escalas micro y nanométricas ha acontecido un campo fructífero para el control de la propagación y generación de la luz, incluso de maneras exóticas o contra intuitivas, revelando nuevos fenómenos físicos. En esta tesis proponemos, precisamente, utilizar nuevos materiales fotónicos artificiales y nuevos esquemas para controlar la dinámica espacio-temporal de los láseres de semiconductor de apertura ancha, para mejorar sus propiedades.

Los láseres de semiconductor están reemplazando otras fuentes de luz láser gracias a su eficiencia, formato compacto y precio asequible. A pesar de todo, sufren un gran inconveniente: el deterioro del haz emitido al aumentar la potencia, especialmente si la anchura del láser es muy grande respeto la longitud de ola. Cuando la emisión es altamente multimodal e inestable limita las posibles aplicaciones. Aunque se han propuesto diferentes mecanismos para superar este problema, conseguir una emisión estable sin comprometer el formato compacto, es todavía una cuestión abierta. Esta tesis tiene como objetivo contribuir a la mejora de los láseres de semiconductor y en el estudio del control de la dinámica de los láseres mediante el nuevo campo de la fotónica no hermítica. De hecho, la física de los sistemas abiertos no Hermíticos ofrece nuevas posibilidades para utilizar la permitividad compleja para dominar procesos ópticos y es la causa del reciente interés en la fotónica no hermitica. Primero, se demostró en el marco de la Mecánica Cuántica que los sistemas abiertos o no Hermíticos, a pesar de tener ganancias o pérdidas pueden presentar autovalores reales del Hamiltoniano (valores constantes de la energía) y otros comportamientos físicos inesperados, derivados de acoplamientos asimétricos entre modas. Efecto observado inicialmente en sistemas invariantes bajo la paridad (P-) y la simetría de tiempo (T-), denominados PT-simétricos. Los sistemas ópticos con permitividad compleja son análogos clásicos, flexibles y asequibles de estos sistemas cuánticos para realizar y explorar estos nuevos efectos.

Primero, proponemos usar una modulación del índice de refracción para el filtrado en intracavidad, de la emisión multimodo de amplificadores y láseres de semiconductor. Para el análisis numérico desarrollamos un modelo espacio-temporal completo, que incluye dos dimensiones espaciales, transversal y longitudinal, más la evolución temporal del campo eléctrico y de los portadores. Este modelo se utiliza a lo largo de toda la tesis con las modificaciones correspondientes y es contrastado también experimentalmente. A continuación, analizamos el efecto de imponer modulaciones intrínsecas del índice de refracción y la ganancia, en fase y, dentro del láser de semiconductor. Gracias a la interacción entre partes reales e imaginarias del potencial no hermítico se consigue una estabilización espacial y temporal. Dando un paso más, dividimos la cavidad láser en dos espacios PT-simétricos (simetría de espejo) con un acoplamiento en sentido opuesto. Con esta geometría, esperamos obtener un doble beneficio: por un lado, conseguir una estabilización espacial-temporal del láser, y por otro lado, localizar el campo generado en el eje de simetría. Se demuestra numéricamente regímenes de localización y de estabilización simultáneas, aumentando la potencia emitida mejorando la calidad de los haces. Finalmente, a pesar de que los láseres más estrechos muestran una emisión más estable, los láseres próximos se acoplan cuando forman parte de una matriz. Demostramos que el acoplamiento asimétrico también puede ser utilizado en barras de láseres de semiconductor para estabilizarlos temporalmente y concentrar la emisión. El acoplamiento asimétrico se produce mediante un desplazamiento lateral entre el bombeo y el índice de refracción. En todos los casos las propuestas consiguen una emisión estable y focalizada que facilitaría el acoplamiento directo a fibras ópticas.