Les gaz dans l'environnement peuvent être sondés par spectroscopie rapidement et avec précision à l'aide de peignes dits à double fréquence. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant développé une méthode permettant de créer de tels peignes de fréquence beaucoup plus simplement et à moindre coût qu'auparavant.

Contrairement à la lumière émise par une simple lampe, la lumière laser a une fréquence définie très précisément. Cela le rend idéalement adapté aux investigations spectroscopiques, dans lequel les propriétés des substances sont déterminées sur la base des fréquences auxquelles elles absorbent la lumière. Une analyse spectroscopique complète nécessite généralement un peu de patience, car la fréquence du laser doit être progressivement modifiée ("balayée") afin d'obtenir un spectrogramme complet. Un groupe de physiciens de l'ETH de Zurich dirigé par Ursula Keller à l'Institut d'électronique quantique a maintenant démontré une méthode fondamentale qui pourrait conduire à des investigations spectroscopiques plus simples et plus rapides à l'avenir. Dans ce but, ils ont développé une nouvelle technique pour créer des peignes dits à double fréquence. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique Science .

Une règle faite de lumière

Alors qu'un laser normal émet de la lumière à une fréquence, un peigne de fréquence présente un grand nombre de fréquences à une distance constante les unes des autres - tout comme les marques sur une règle. Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation de lasers qui créent des impulsions lumineuses périodiques extrêmement courtes. De tels trains d'impulsions ont un spectre de fréquences en forme de peigne, qui peut être encore élargie à l'aide de matériaux optiques particuliers. En 2005, le prix Nobel a été décerné pour la spectroscopie de précision à base de laser, y compris la technique du peigne de fréquence optique, auquel Ursula Keller en collaboration avec Harald Telle de PTB Braunschweig a inventé la technologie habilitante clé pour la stabilisation du peigne en 1999.

En principe, on pourrait sonder une substance simultanément avec de nombreuses fréquences en utilisant un tel peigne de fréquence. En spectroscopie ordinaire une partie de la lumière laser est envoyée à travers le matériau à étudier, et l'autre partie sert de référence. La fréquence du laser est maintenant régulièrement balayée, et en même temps l'absorption de la lumière laser par la substance est mesurée par rapport au faisceau de référence à l'aide de deux photodétecteurs. A partir de ce balayage de fréquence, le spectrogramme caractéristique de la substance est obtenu. Malheureusement, cette procédure ne peut pas être appliquée directement à un peigne de fréquence. Les différentes fréquences contenues simultanément dans le peigne seraient certainement absorbées différemment. Le photodétecteur, cependant, ne serait pas en mesure de les distinguer. Faire cela, il faudrait enregistrer directement l'individu, oscillations superposées de la lumière, lequel, cependant, est impossible en pratique en raison de leur fréquence élevée de plusieurs centaines de Térahertz (un millier de milliards d'oscillations par seconde).

L'astuce de l'accordeur de piano

La technique développée par Keller et ses collègues "traduit" ces oscillations rapides et non directement mesurables en des oscillations beaucoup plus lentes qui peuvent être facilement détectées avec l'électronique conventionnelle. Cette procédure repose sur une astuce utilisée sous une forme similaire par les accordeurs de piano. Afin d'obtenir un accord égal des différents accords d'un même ton, un accordeur de piano utilise le battement produit par la superposition de deux fréquences différentes. Le battement pulse à une vitesse qui correspond à la différence des deux fréquences superposées.

Les chercheurs de l'ETH utilisent une méthode très similaire dans laquelle ils créent un deuxième peigne de fréquence, dont les fréquences ont un espacement légèrement différent de celles du premier. Cela crée des paires de fréquences, dont chacun se traduit par une fréquence de battement légèrement différente. Ces fréquences de battement sont maintenant dans le régime du mégahertz et peuvent être facilement mesurées à l'aide de photodétecteurs.

Deux peignes de fréquence pour le prix d'un

Ce type de spectroscopie à double peigne existe depuis quelques années, mais la technique maintenant développée à l'ETH le rend considérablement plus simple et moins coûteux, comme Sandro Link, Doctorant et premier auteur de l'article, explique :« La vraie nouveauté est que nous créons les deux peignes de fréquence avec un seul laser au lieu de deux, qui devraient être minutieusement stabilisés les uns par rapport aux autres. » L'astuce qu'ils utilisent consiste en un cristal biréfringent qui est inséré dans un laser, ce qui fait que la lumière parcourt des distances légèrement différentes selon sa polarisation (c'est-à-dire, la direction d'oscillation de l'onde électromagnétique). En conséquence, les deux faisceaux laser ainsi produits ont des périodes d'impulsion légèrement différentes, ce qui conduit à son tour à des peignes de fréquence avec différents espacements de fréquence. Comme les deux peignes de fréquence sont créés par le même laser, les stabiliser les uns contre les autres devient superflu.

Un certain nombre d'applications possibles de la nouvelle technologie se présentent. Puisqu'il permet de produire un spectrogramme complet en moins d'un millième de seconde, il est idéalement adapté pour mesurer la concentration de substances dans l'environnement ou dans les gaz d'échappement des usines. Les gaz à débit rapide dans les installations pétrochimiques pourraient également être analysés rapidement, par exemple pour surveiller et contrôler les processus de production.