Une innovation de rupture dans la mesure des lasers peut mesurer des changements d'un millionième de la taille d'un atome et pourrait révolutionner leur utilisation dans les technologies quantiques et la santé grâce à de nouvelles, technologie à moindre coût.

Une équipe de l'Université de St Andrews et de la société britannique M Squared Lasers a utilisé le principe de la diffusion aléatoire de la lumière pour créer une nouvelle classe d'ondemètres laser qui traverse un plafond de verre lors de la mesure de la longueur d'onde.

Les ondemètres sont utilisés dans de nombreux domaines scientifiques pour identifier la longueur d'onde (c'est-à-dire la couleur) de la lumière. Tous les atomes et molécules absorbent la lumière à des longueurs d'onde très précises, par conséquent, la capacité de les identifier et de les manipuler à haute résolution est importante dans divers domaines allant de l'identification d'échantillons biologiques et chimiques au refroidissement d'atomes individuels à des températures plus froides que les profondeurs de l'espace extra-atmosphérique

Vagues, qu'il s'agisse d'ondes d'eau ou d'ondes lumineuses, interagissent par interférence :parfois deux ondes atteignent un pic en même temps et au même endroit et le résultat est une onde plus élevée, mais il est également possible qu'un pic d'une onde rencontre le creux d'une autre, résultant en une vague plus petite. La combinaison de ces effets produit une figure d'interférence.

Les ondemètres conventionnels analysent les changements du diagramme d'interférence produits par des assemblages délicats de composants optiques de haute précision. Les instruments les moins chers coûtent des centaines ou des milliers de livres, et la plupart des utilisations quotidiennes de la recherche coûtent des dizaines de milliers.

En revanche, l'équipe a réalisé un appareil robuste et peu coûteux qui surpasse la résolution de tous les ondemètres disponibles dans le commerce. Ils l'ont fait en projetant une lumière laser à l'intérieur d'une sphère de 5 cm de diamètre qui avait été peinte en blanc, et enregistrer des images de la lumière qui s'échappe par un petit trou. Le motif formé par la lumière est incroyablement sensible à la longueur d'onde du laser.

Le Dr Graham Bruce de l'École de physique et d'astronomie explique :

"Si vous prenez un pointeur laser, et faites-le briller à travers du ruban adhésif ou sur une surface rugueuse comme un mur peint, en regardant de plus près la surface éclairée, vous verrez que le spot lui-même a l'air granuleux ou tacheté, avec des taches claires et sombres. Ce soi-disant « speckle pattern » est le résultat d'interférences entre les différentes parties du faisceau qui sont réfléchies différemment par la surface rugueuse.

"Ce motif de mouchetures peut sembler peu utile, mais en fait, le motif est riche en informations sur le laser d'éclairage.

"Le motif produit par le laser à travers un tel milieu de diffusion est en fait très sensible à une modification des paramètres du laser et c'est ce que nous avons utilisé."

La découverte, qui a été publié dans la prestigieuse revue Communication Nature , ouvre une nouvelle voie pour la mesure ultra-haute précision de la longueur d'onde laser, réalisant une précision de près d'une partie sur trois milliards, ce qui est environ 10 à 100 fois meilleur que les appareils commerciaux actuels.

Cette précision a permis à l'équipe de mesurer d'infimes variations de longueur d'onde inférieures à 1 femtomètre :l'équivalent d'un millionième seulement du diamètre d'un seul atome.

Ils ont également montré que cette mesure sensible pouvait être utilisée pour stabiliser activement la longueur d'onde du laser.

Dans le futur, l'équipe espère démontrer l'utilisation de telles approches pour des applications de technologie quantique dans l'espace et sur Terre, ainsi que pour mesurer la diffusion de la lumière pour les études biomédicales dans un nouveau, moyen peu coûteux.

Le professeur Kishan Dholakia de l'École de physique et d'astronomie a déclaré :

« Il s'agit d'un effort d'équipe passionnant pour ce que nous pensons être une percée majeure dans le domaine. Cela témoigne d'une solide coopération entre l'industrie britannique et les universités et de liens vers de futures opportunités commerciales avec les technologies quantiques et celles des soins de santé. »