Des chercheurs dirigés par l'EPFL ont construit des cavités optiques de très haute qualité pour la région spectrale insaisissable de l'infrarouge moyen, ouvrant la voie à de nouveaux capteurs chimiques et biologiques, ainsi que des technologies prometteuses.

La fenêtre spectrale moyen infrarouge, appelée "région d'empreintes moléculaires, " comprend des longueurs d'onde lumineuses de 2,5 à 20 μm. C'est une mine d'or virtuelle pour la spectroscopie, détection chimique et biologique, la science des matériaux, et de l'industrie, car c'est la plage où de nombreuses molécules organiques peuvent être détectées. Il contient également deux gammes qui permettent la transmission de signaux à travers l'atmosphère sans distorsion ni perte. Un moyen d'exploiter le potentiel de la fenêtre spectrale dans l'infrarouge moyen consiste à utiliser des cavités optiques, qui sont des micro-dispositifs qui confinent la lumière pendant de longues périodes. Cependant, de tels dispositifs sont actuellement inexplorés en raison des défis technologiques à cette longueur d'onde. Des chercheurs dirigés par l'EPFL ont relevé ce défi et ont montré avec succès que des matériaux cristallins peuvent être utilisés pour construire des cavités optiques de très haute qualité pour la région spectrale du moyen infrarouge, représentant la valeur la plus élevée atteinte pour tout type de résonateur infrarouge moyen à ce jour et établissant un nouveau record dans le domaine. T

son œuvre inédite est publiée dans Communication Nature .

Caroline Lecaplain et Clément Javerzac-Galy du laboratoire de Tobias J. Kippenberg à l'EPFL ont dirigé l'effort de recherche, avec des collègues du Russian Quantum Center. Pour réaliser ces microcavités de très haute qualité, les scientifiques ont utilisé des cristaux de fluorure de métal alcalino-terreux qu'ils ont polis manuellement. Ils ont développé des fibres coniques de chalcogénure non revêtues pour coupler efficacement la lumière infrarouge moyenne d'un laser à cascade quantique (QCL) à ondes continues dans leurs microcavités cristallines. Finalement, les techniques de spectroscopie à cavité annulaire ont permis à l'équipe de démontrer sans ambiguïté des résonateurs de très haute qualité profondément dans la gamme spectrale de l'infrarouge moyen.

D'importance égale, les scientifiques montrent également que le facteur de qualité de la microcavité est limité par l'absorption multi-phonons. Il s'agit d'un phénomène au cours duquel les phonons – quasi-particules constituées d'énergie et de vibrations dans le cristal de la cavité – interagissent et perturbent simultanément le confinement de la lumière.

Ce travail marque une étape importante dans le domaine des matériaux dans l'infrarouge moyen puisqu'il ouvre pour la première fois l'accès aux résonateurs ultra-hauts. C'est un pas important vers un laser compact stabilisé en fréquence dans l'infrarouge moyen, qui pourrait avoir un impact majeur sur des applications telles que la spectroscopie moléculaire, détection chimique et biodétection.