Les peignes de fréquence optique sont largement utilisés, des outils de haute précision pour mesurer et détecter différentes fréquences—a.k.a. couleurs - de la lumière. Contrairement aux lasers conventionnels, qui émettent une seule fréquence, ces lasers émettent plusieurs fréquences simultanément. Les fréquences équidistantes ressemblent aux dents d'un peigne. Les peignes de fréquence optique sont utilisés pour tout, de la mesure des empreintes digitales de molécules spécifiques à la détection d'exoplanètes distantes.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) explorent la possibilité d'utiliser un peigne de fréquence infrarouge pour générer des fréquences térahertz insaisissables. Ces fréquences, qui se situent dans le spectre électromagnétique entre les ondes radio et la lumière infrarouge, promettent depuis longtemps de transformer les communications et la détection, mais sont très difficiles à trouver. En exploitant un état laser récemment découvert, Les chercheurs de SEAS ont découvert un peigne de fréquence infrarouge dans un laser à cascade quantique qui offre une nouvelle façon de générer des fréquences térahertz.

Surnommé un peigne de fréquence harmonique, ce nouveau système produit un spectre de dents avec un espacement des dizaines de fois plus grand que les peignes de fréquence traditionnels. L'espacement large mais précis permet à ces modes de lumière de battre ensemble pour produire des tons térahertz extrêmement purs.

La recherche est décrite dans Photonique de la nature .

"La découverte de l'état harmonique des lasers à cascade quantique est surprenante d'un point de vue physique des lasers, " a déclaré Federico Capasso, Robert L. Wallace, professeur de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique et auteur principal de l'article. "Jusque récemment, on pensait que les lasers multimodes émettaient normalement sur toutes les fréquences possibles de la cavité. A l'état harmonique, de nombreuses fréquences de cavité sont ignorées. Plus remarquable encore est que cette découverte ouvre des opportunités imprévues dans des régions inutilisées du spectre électromagnétique, le térahertz."

Dans les peignes de fréquence traditionnels, les dents sont séparées par une petite fréquence dictée par la longueur caractéristique de la cavité laser, ce qui signifie que les dents sont proches les unes des autres. Le peigne de fréquence harmonique, cependant, peut utiliser un plus grand multiple de cette fréquence.

"Avec ce nouveau régime de peigne, nous pouvons contourner les limitations strictes imposées par la longueur de la cavité et atteindre un degré de flexibilité sans précédent dans le domaine des peignes de fréquence laser à cascade quantique, " a déclaré Marco Piccardo, stagiaire postdoctoral au laboratoire Capasso et co-premier auteur de l'article.

La clé de la recherche était de prouver que ces dents largement espacées étaient en effet équidistantes. A l'aide d'un autre peigne de référence, l'équipe a pu étudier le spectre de fréquence harmonique en peigne à très haute résolution.

"Nous montrons que les lignes sont équidistantes avec une incertitude de seulement 300 hertz, qui quantifie la précision relative de cette mesure à cinq parties par billion, " a déclaré Dmitri Kazakov, un stagiaire de recherche invité dans le groupe Capasso et co-premier auteur de l'article. "C'est comme si l'on pouvait mesurer la distance de la Terre à la Lune et s'éloigner de moins que l'épaisseur d'un cheveu humain."

La plupart des générateurs térahertz actuels utilisent systèmes optiques complexes fonctionnant à des températures proches de zéro pour produire des fréquences térahertz. Le peigne de fréquence harmonique fonctionne à température ambiante, utilise des lasers commerciaux à cascade quantique, et est autonome, ce qui signifie que le laser peut passer automatiquement à ce régime lorsqu'un courant électrique est injecté dans l'appareil.

"Cela ouvre des applications complètement nouvelles pour les peignes de fréquence, en particulier dans les communications sans fil, " a déclaré Capasso. " Nous prévoyons que dans un proche avenir, ce régime de peigne permettra une nouvelle classe de modem à puce fonctionnant à des fréquences térahertz, répondre à la demande toujours croissante des consommateurs en matière de communication numérique à haut débit."