Lors de la mesure de la durée des phénomènes physiques à grande vitesse, un bon chronomètre ne peut vous mener que jusqu'à présent, et tandis que les oscilloscopes peuvent capter des signaux électriques avec des fréquences de quelques GHz, mesurer des phénomènes optiques incroyablement rapides nécessite quelque chose de plus :un système appelé peigne de fréquence optique. Les lasers normaux sont des sources monochromatiques ne contenant qu'une seule fréquence de lumière; en revanche, les peignes de fréquence contiennent de nombreuses fréquences, équidistants dans le domaine fréquentiel, qui ressemblent beaucoup aux dents d'un peigne. Les peignes de fréquence sont largement utilisés comme un type de «règle optique» car ils peuvent mesurer des signaux variant rapidement en interférant les «dents» des peignes de fréquence avec le signal qu'ils veulent mesurer, qui convertit par conséquent ces signaux en signaux radiofréquences plus gérables.

Chercheurs de l'unité Interactions lumière-matière de l'Université d'études supérieures de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa, avec des collaborateurs de l'Université de Washington, a récemment publié un article dans Lettres d'optique dans lequel ils décrivent comment ils ont créé un peigne de fréquence dans le spectre visible. Ils y sont parvenus en combinant un phénomène connu sous le nom de mélange à quatre ondes avec un dispositif de faible puissance appelé résonateur à microbulles (MBR). Les MBR sont un type de résonateur en mode galerie chuchotant (WGMR), et jusqu'à maintenant, seuls les peignes à fréquence infrarouge ont été produits directement en utilisant un mélange à quatre ondes dans les WGMR. Le déplacement de la longueur d'onde de fonctionnement de ces appareils dans le régime visible présente d'énormes avantages, car une «règle optique» est souvent recherchée pour la lumière pouvant être observée par l'œil humain. Le dispositif MBR pourrait être très utile en science médicale où des mesures de fréquence de haute précision sont nécessaires, tels que les tomodensitogrammes médicaux, où les peignes de fréquence optique sont un excellent candidat. Actuellement, les peignes de fréquence optique sont générés à l'aide de systèmes laser femtoseconde lourds qui nécessitent beaucoup d'espace et consomment de nombreux watts de puissance, ou en utilisant d'autres grands systèmes laser à mode verrouillé. Le MBR proposé, en revanche, a une taille de microns et ne nécessite qu'un laser de faible puissance pour pomper l'appareil car le petit volume du résonateur signifie que de petites puissances d'entrée correspondent à des intensités de circulation extrêmement élevées, une exigence pour que des processus non linéaires se produisent.

Une galerie chuchotante classique - le phénomène qui permet à cet appareil de fonctionner - est un effet acoustique. Le dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres est un exemple célèbre de galerie chuchotante. Dans une enceinte circulaire, les ondes sonores se propagent le long des parois intérieures avec peu de perte, permettant d'entendre des chuchotements murmurés près du mur à une grande distance le long du mur. Optiquement, les chercheurs reproduisent cet effet en faisant « rebondir » la lumière le long des parois d'une cavité circulaire, dans ce cas un résonateur à micro-bulles. Le groupe a réussi à fabriquer un résonateur à microbulles d'une épaisseur de paroi de 1,4 micron, soit environ 60 fois plus mince qu'un cheveu humain, et d'un diamètre total de 120 microns. En utilisant cet appareil, ils ont réussi à produire un peigne de fréquence optique avec une longueur d'onde centrale rouge de 765 nanomètres, coïncidant exactement avec les résultats prédits.

Les auteurs de l'article ont créé des MBR en diminuant de minces capillaires en verre jusqu'à quelques dizaines de microns de diamètre, boucher une de leurs ouvertures puis pomper du gaz dans les tubes. Le chauffage d'une zone du verre à l'aide d'un laser CO2 forme une minuscule bulle en raison de l'équilibre entre la pression du gaz dans le capillaire et la tension superficielle du verre fondu, un peu comme la façon dont les souffleurs de verre produisent de beaux vases en verre. Contrairement aux résonateurs solides typiques sans parois minces, les chercheurs peuvent contrôler l'épaisseur de la paroi avec précision, ce qui permet un degré de liberté supplémentaire. Cette différence cruciale a permis aux chercheurs d'accorder la fréquence centrale de l'appareil au régime visible.

Dr Yong Yang, l'auteur principal de cet article, attend avec impatience de repousser les limites de l'appareil avec des dimensions de paroi encore plus minces et espère étendre la portée de cet appareil pour éventuellement couvrir l'écart entre la lumière bleue de longueur d'onde inférieure jusqu'à la région proche infrarouge. "Je suis enthousiasmé par le résonateur à microbulles car sa géométrie unique nous donne beaucoup plus de contrôle sur les propriétés de dispersion et nous aidera finalement à repousser les limites de cet appareil, " dit Yang. En fin de compte, ce travail pourrait fournir aux chercheurs un outil à faible coût, alternative compacte et de faible puissance aux peignes de fréquence disponibles dans le commerce aujourd'hui. Quelle meilleure façon de mesurer la lumière que d'utiliser la lumière ?