Souhaitez-vous capturer une transformation chimique à l'intérieur d'une cellule en direct ? Ou peut-être révolutionner la production de puces électroniques en imprimant des chemins dans une couche d'à peine 100 nanomètres d'épaisseur ? Ces objectifs et bien d'autres peuvent désormais être atteints grâce au dernier laser femtoseconde créé par une équipe de scientifiques dirigée par le Dr Yuriy Stepanenko.

Ces jours, il existe une multitude de sources lumineuses laser. Ils ont chacun leurs caractéristiques et leurs applications différentes, comme l'observation des étoiles, soigner les maladies, et le micro-usinage de surface. "Notre objectif est d'en développer de nouveaux, " dit Yuriy Stepanenko, chef de l'équipe des techniques laser ultrarapides à l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences. "Nous avons affaire à des sources qui produisent des impulsions lumineuses ultracourtes. Vraiment très, impulsions femtosecondes très courtes (c'est une partie de seconde avec 15 zéros après la virgule). C'est l'échelle à laquelle, par exemple, des réactions chimiques intracellulaires ont lieu. De les voir, nous devons "prendre une photo" dans ce très court laps de temps. Et grâce au nouveau laser, nous pouvons faire exactement cela.

"Nous pouvons également utiliser notre source pour l'élimination très précise des matériaux de diverses surfaces sans les détruire, " dit le scientifique. " Nous pourrions, par exemple, nettoyer la Joconde en utilisant cette méthode sans endommager les couches de peinture. Nous n'enlevions que la poussière et la saleté, une couche d'environ 10 nanomètres d'épaisseur, " explique le Dr Stepanenko, l'un des auteurs d'une étude récemment publiée dans le Journal de la technologie des ondes lumineuses.

"Mais pour ce genre de travail, notre laser est même un peu trop précis, " note le Dr Bernard Piechal, co-auteur de la publication. "Pour ça, vous n'avez besoin que d'impulsions nanosecondes, c'est-à-dire des impulsions qui durent mille fois plus longtemps. Le dernier, cependant, ne pourrait pas, par exemple, tracer des chemins de profondeurs précisément planifiées dans des matériaux ultra-fins, par exemple. enlever l'or pulvérisé sur des puces électroniques avec un réglage précis de l'épaisseur de la couche à enlever. Mais notre laser peut le faire ! Il peut également faire des trous dans du verre trempé ou des plaques de silicium ultra-minces. Dans ces conditions, un laser nanoseconde ferait soit fondre le silicium, soit « écraser » le verre car il produit trop de chaleur. Trop d'énergie est concentrée localement dans une très petite zone. Le nôtre fonctionne fermement mais doucement, " sourit le Dr Stepanenko.

Comment cet effet a-t-il été obtenu ?

« Nous voulions que notre source remplisse deux conditions :elle devait être le moins possible sensible aux perturbations mécaniques, et il devait être mobile, " explique le Dr Piechal. " Nous ne voulions pas créer un structure fixe."

Des lasers à fibre optique sont venus à la rescousse de l'équipe. "Ce type de laser est essentiellement une fibre optique enfermée dans un anneau. L'impulsion laser y circule sans être exposée à des perturbations mécaniques. La fibre optique peut être touchée, déplacé, même secoué sans compromettre la stabilité du pouls. Bien sûr, si la lumière ne faisait que tourner dans un cercle comme celui-ci, ce serait inutile, donc une partie de cette impulsion est dirigée hors de la boucle en un seul endroit sous forme de flashs utiles, " explique le Dr Stepanenko.

Nous arrivons ici à un autre paramètre important de ce type de laser pulsé :la fréquence avec laquelle les impulsions apparaissent à la sortie. Dans les conceptions conventionnelles, cette fréquence dépend de la longueur de la boucle de fibre optique dans laquelle circule l'impulsion. Sa longueur pratique est de plusieurs dizaines de mètres. Ce qui est beaucoup, n'est-ce pas ? Et si on voulait que les flashs lumineux apparaissent le plus souvent possible ? Cela peut être fait en réduisant la circonférence de l'anneau à travers lequel l'impulsion se déplace. Seulement que ce genre d'action a ses limites. "Dans nos lasers, la plus petite boucle donne des impulsions toutes les 60 nanosecondes, ce qui est encore trop lent pour nos désirs, " explique le chercheur. Comment accélérer cette fréquence ? C'est là qu'intervient la nouvelle invention de l'équipe de l'IPC PAS :un système qui permet de dupliquer la fréquence de base comme pour créer des fréquences harmoniques sur la fréquence de base d'une guitare chaîne de caractères.

"Nous utilisons ce qu'on appelle le verrouillage en mode harmonique, " explique le Dr Stepanenko. " Ce qui est innovant dans notre conception, c'est que nous sommes capables de commuter ce taux de répétition de manière contrôlée et de ne sélectionner qu'une seule des harmoniques possibles, celui dont nous avons besoin. On pourrait dire que nous sommes comme un guitariste - sur une corde à vide, c'est-à-dire notre boucle de la fibre, on obtient une fréquence spécifique résultant de sa longueur. Quand on met le doigt exactement au milieu de la ficelle, nous obtenons ce qu'on appelle la deuxième harmonique. La hauteur de ton augmente d'une octave et la fréquence de vibration double. Si on met le doigt sur 1/3 de la longueur de la ficelle, on obtient une fréquence égale à trois fois plus élevée que sur la corde ouverte. Dans notre cas, on augmente la fréquence des impulsions en tournant le bouton. Nous ne pouvons le faire que par étapes, à chaque fois obtenir une autre harmonique, tout comme les harmoniques de la guitare changent par pas, mais la plage est assez large :on peut changer nos harmoniques lumineuses de 2 à 19 fois au dessus de la fréquence de base, c'est-à-dire atteindre une fréquence d'impulsions jusqu'à un peu plus de 300 MHz.

Il est extrêmement important que les fréquences obtenues soient stables et puissent être distinguées avec précision. Si nous choisissons une harmonique, tous les autres seront tellement amortis que leur "volume" sera environ 10 millions de fois inférieur à celui de l'élu. On pourrait dire que nous générons un son pur et que nous éliminons tout le bruit de fond. En outre, plus la fréquence est élevée, mieux il est défini. "Nous sommes les premiers à avoir si bien réussi à le faire, " déclare fièrement le chercheur.

Il ne nous reste plus qu'à attendre que l'invention soit mise en œuvre dans des applications plus industrielles. Cela signifie peut-être pour nous des ordinateurs portables encore plus fins et plus légers ou une meilleure connaissance de ce qui se passe à l'intérieur du corps humain.