Autrefois l'arme préférée des fous de films de série B et des héros de fiction spatiale, le laser, un appareil qui génère un faisceau intense de rayonnement électromagnétique cohérent en stimulant l'émission de photons à partir d'atomes ou de molécules excités, s'est un peu domestiqué ces derniers temps.

Ces jours, il a un emploi stable dans l'industrie, et passe son temps libre à imprimer des documents dans des bureaux à domicile et à lire des films dans des cinémas à domicile. Ici et là, il apparaît dans les revues médicales et les nouvelles militaires, mais cela s'est essentiellement réduit à la lecture de codes-barres à la caisse de l'épicerie, une technologie qui a perdu son attrait.

Mais les lasers sont toujours cool, insiste Sushil Kumar de l'Université Lehigh, avec un vaste potentiel d'innovation que nous commençons tout juste à exploiter. Et avec le soutien de la National Science Foundation (NSF), il est en mission pour le prouver.

Kumar, professeur agrégé de génie électrique et informatique, se concentre spécifiquement sur les lasers qui proviennent d'une région relativement inexploitée du spectre électromagnétique, le térahertz (THz), ou infrarouge lointain, la fréquence. Chercheur à la pointe de la technologie laser à semi-conducteurs THz à cascade quantique, lui et ses collègues ont affiché des résultats record pour le fonctionnement à haute température et d'autres caractéristiques de performance importantes de ces lasers.

Son objectif est de développer des dispositifs qui ouvrent un large éventail d'applications possibles :détection chimique et biologique, spectroscopie, détection d'explosifs et d'autres matières de contrebande, diagnostic de maladie, contrôle qualité en pharmacie, et même la télédétection en astronomie pour comprendre la formation des étoiles et des galaxies, Juste pour en nommer quelques-uns. (Des trucs plutôt sympas... les gens à la caisse seraient impressionnés.)

Pourtant, malgré les avantages connus, Kumar dit que les lasers térahertz ont été sous-utilisés et sous-explorés; le coût élevé et les limitations fonctionnelles ont entravé l'innovation qui conduirait à une telle utilisation. Kumar, cependant, estime qu'il est sur la bonne voie pour libérer véritablement la puissance de la technologie laser THz; il a récemment reçu une bourse de la NSF, Réseaux à verrouillage de phase de lasers térahertz haute puissance avec faisceaux ultra-étroits, dans le but de créer des lasers THz qui produisent des intensités optiques considérablement plus élevées que ce qui est actuellement possible, et potentiellement de supprimer les obstacles à la recherche à grande échelle et à l'adoption commerciale.

Se concentrer sur une solution

Selon Kumar, la région térahertz du spectre électromagnétique est considérablement sous-développée en raison du manque de sources de rayonnement à haute puissance. Les sources existantes présentent une faible puissance de sortie et d'autres caractéristiques spectrales indésirables qui les rendent impropres à une application sérieuse. Son projet actuel vise à développer des lasers à semi-conducteur térahertz avec une fréquence d'émission précise pouvant atteindre 100 milliwatts de puissance optique moyenne - une amélioration de deux ordres de grandeur par rapport à la technologie actuelle - dans un faisceau étroit avec nettement moins de cinq degrés de divergence angulaire.

Kumar travaille avec des lasers à cascade quantique (QCL). Ces dispositifs ont été inventés à l'origine pour l'émission de rayonnement infrarouge moyen. Ils n'ont commencé que récemment à faire leur marque aux fréquences THz, et dans cette gamme, ils souffrent de plusieurs défis supplémentaires. Dans cet environnement de pointe, Le groupe de Kumar fait partie des quelques privilégiés au monde qui progressent vers la production viable et à faible coût de ces lasers.

L'approche envisagée par Kumar améliorera considérablement la puissance de sortie et la qualité du faisceau des QCL. Un portable, un cryoréfrigérateur à commande électrique fournira le refroidissement thermique requis pour les puces laser à semi-conducteurs ; ceux-ci contiendront des réseaux QCL à verrouillage de phase émettant à une gamme de fréquences térahertz discrètes déterminées par l'application souhaitée.

Dans des travaux antérieurs, Kumar et son groupe ont montré que les lasers THz (émetteurs à une longueur d'onde d'environ 100 microns) pouvaient émettre un faisceau de lumière focalisé en utilisant une technique appelée rétroaction distribuée. L'énergie lumineuse de leur laser est confinée à l'intérieur d'une cavité prise en sandwich entre deux plaques métalliques séparées par une distance de 10 microns. À l'aide d'une cavité en forme de boîte mesurant 10 microns par 100 microns par 1, 400 microns (1,4 millimètres), le groupe a produit un laser térahertz avec un angle de divergence du faisceau de seulement 4 degrés sur 4 degrés, la divergence la plus étroite jamais atteinte pour de tels lasers térahertz.

Kumar pense que la plupart des entreprises qui utilisent actuellement des lasers à infrarouge moyen seraient intéressées par des lasers puissants, QCL térahertz abordables, et que la technologie elle-même engendrera de nouvelles solutions.

"L'iPhone devait exister avant que les développeurs puissent écrire les 'killer apps' qui en ont fait un produit ménager, " dit-il. " De la même manière, nous travaillons à une technologie qui pourrait permettre aux futurs chercheurs de changer le monde d'une manière qui n'a même pas encore été envisagée. »