Pour capturer une action rapide dans un environnement faiblement éclairé, un photographe utilisera la combinaison d'une vitesse d'obturation rapide et d'une rafale de lumière rapide.

Les physiciens du laser utilisent le même principe :capturer un événement microscopique de courte durée en le frappant avec une impulsion rapide de lumière infrarouge. Bien sûr, tandis que l'action qu'un photographe essaie de capturer peut durer un centième de seconde ou deux, la fenêtre d'opportunité du physicien peut durer quelques femtosecondes (quadrillionièmes de seconde).

Mais afin de créer une impulsion de lumière suffisamment courte pour capturer ce qu'un physicien pourrait vouloir voir - disons, l'effet des vibrations induites par la lumière sur une molécule dans la rétine - vous avez besoin d'une source lumineuse qui produit une large gamme de fréquences. Et un groupe dirigé par Jeffrey Moses, professeur assistant de physique appliquée et de l'ingénieur, a développé un procédé pour générer et façonner des impulsions lumineuses intenses dans l'infrarouge moyen (IR moyen).

« Nous avons la capacité de créer cette source de lumière infrarouge à très large bande qui est intense, et nous avons la capacité de le façonner avec précision, " dit Moïse, dont le groupe a publié un article dans Photonique de la nature , "Génération et mise en forme multi-octave d'impulsions monocycle intenses dans le moyen infrarouge, " Le 20 mars.

Peter Krogen, doctorat '16, maintenant associé de recherche au Massachusetts Institute of Technology, est l'auteur principal. Parmi les autres contributeurs, citons le doctorant Noah Flemens, membre du groupe Moïse.

Les longueurs d'onde de l'IR moyen sont particulièrement importantes pour les scientifiques des matériaux, chimistes, biologistes et physiciens de la matière condensée. Récemment, l'avènement des sources IR moyen à haute énergie et ultracourte durée a inauguré une nouvelle gamme d'interactions lumière-matière non linéaires, et établir des sources mid-IR qui présentent non seulement une bande passante extrême, mais aussi un contrôle arbitraire de la forme des impulsions, est d'un grand intérêt.

Une méthode d'analyse des phénomènes de courte durée est la spectroscopie pompe-sonde. Le premier faisceau de lumière laser agit comme la « pompe, " générer une réaction voulue dans un matériau, et la seconde est la "sonde, " utilisé pour analyser la réaction.

Afin de créer des impulsions lumineuses suffisamment courtes pour capturer ces événements, la lumière doit contenir une large gamme de fréquences dans le spectre IR. "Plus j'ai de fréquences, plus une impulsion que je peux faire est courte, " dit Moïse.

Le problème, cependant, c'est qu'en façonnant la lumière dans un but précis, vous perdez de la bande passante. Pour surmonter ce problème, Moïse et son groupe ont développé un moyen de créer et de façonner une large bande, impulsion lumineuse proche infrarouge et change sa "couleur" (fréquence d'onde) en mi-IR tout en conservant sa bande passante et sa forme. En réalité, la bande passante relative de l'onde proche infrarouge - une mesure de la durée d'une impulsion courte par rapport à la plus petite durée réalisable à cette couleur - est effectivement augmentée lorsqu'elle est convertie en une onde moyenne infrarouge.

Le résultat :des impulsions ne durant qu'un seul cycle de la période d'onde, ce qui est très proche du minimum autorisé par la nature.

"Quand nous traversons ce processus, nous avons une bande passante dans le proche IR inférieure à une octave, " Moïse dit, "et nous nous retrouvons avec une bande passante dans le milieu de l'IR qui est de plus d'une octave." Dans les longueurs d'onde, une octave est l'écart entre une fréquence et le double de cette fréquence.

Une application particulière d'intérêt pour le groupe est le suivi de la façon dont l'énergie des électrons circule dans un système, comme la vision humaine. Les molécules de rhodopsine dans la rétine absorbent la lumière puis changent de forme - de courbée à droite - et c'est ce redressement qui sert à envoyer un signal à travers le nerf optique vers le cerveau.

"Le changement de configuration électronique de ces molécules se fait sur des dizaines de femtosecondes, " a déclaré Moïse. " Nous pensons que nous avons la bonne source de lumière ici pour obtenir beaucoup plus d'informations sur ce qui se passe pendant cette période ultracourte. "

Et que peut dire cette information à un scientifique ? Pour une chose, ce processus est très efficace chez l'homme, mais il existe d'autres processus biologiques similaires - qui, selon les théoriciens, sont régulés par un type de structure similaire - qui sont très inefficaces.

"En utilisant cet outil, nous essayons de développer une méthode pour étudier ce genre de classe de structures qui est responsable de la façon dont les molécules répondent à la lumière, " a déclaré Moïse. " Cela pourrait nous aider à comprendre quelque chose que nous fabriquons et nous aider à le faire faire tout ce qu'il fait plus efficacement. "