Bien que critique pour des applications variées, telles que la coupe et le soudage, chirurgie et transmission de bits par fibre optique, les lasers ont certaines limites - à savoir, ils ne produisent de la lumière que dans des gammes de longueurs d'onde limitées. Maintenant, des chercheurs du Ginzton Lab de l'université de Stanford ont modifié des sources lumineuses similaires, appelés oscillateurs paramétriques optiques, pour surmonter cet obstacle.

Jusqu'à maintenant, ces sources lumineuses moins connues ont été pour la plupart confinées au laboratoire car leur configuration laisse peu de place à l'erreur - même une petite bousculade peut en désaligner une. Cependant, suite à une décision contre-intuitive, les chercheurs ont peut-être trouvé une solution à cette faiblesse qui pourrait conduire à des des sources d'impulsions lumineuses moins coûteuses et plus efficaces.

Leur travail, publié le 1er février dans Lettres d'examen physique , démontre une nouvelle façon de produire des impulsions femtosecondes – des impulsions mesurées en quadrillions de seconde – dans des gammes de longueurs d'onde souhaitables à l'aide de cette source lumineuse. La technologie pourrait potentiellement conduire à une meilleure détection des polluants et des maladies en scannant simplement l'air ou l'haleine de quelqu'un.

Une innovation contre-intuitive

La source lumineuse que ces chercheurs étudient consiste en une étape initiale au cours de laquelle les impulsions lumineuses d'un laser traditionnel sont passées à travers un cristal spécial et converties en une plage de longueurs d'onde difficile d'accès avec les lasers conventionnels. Puis, une série de miroirs fait rebondir les impulsions lumineuses dans une boucle de rétroaction. Lorsque cette boucle de rétroaction est synchronisée avec les impulsions laser entrantes, les impulsions nouvellement converties se combinent pour former une sortie de plus en plus forte.

Traditionnellement, les gens ne pouvaient pas convertir une grande partie des impulsions lumineuses initiales en sortie souhaitée avec un tel engin. Mais pour être efficace dans des applications réelles, le groupe a dû augmenter ce pourcentage.

"Nous avions besoin d'une efficacité de conversion plus élevée pour prouver que c'était une source à étudier, " a déclaré Alireza Marandi, un membre du personnel du Ginzton Lab. "Alors nous venons de dire, 'D'ACCORD, quels sont les boutons que nous avons dans le labo ?' Nous en avons tourné un qui faisait que les miroirs réfléchissaient moins la lumière, ce qui était contraire aux directives standard, et l'efficacité de conversion a doublé. » Les chercheurs ont publié leurs premiers résultats expérimentaux il y a deux ans dans Optica.

L'augmentation de la puissance dans une conception conventionnelle entraîne généralement deux résultats indésirables :les impulsions s'allongent et l'efficacité de conversion diminue. Mais dans le nouveau design, où les chercheurs ont considérablement diminué la réflectivité de leurs miroirs, le contraire s'est produit.

« Nous pensions à ce régime basé sur les directives de conception standard, mais le comportement que nous verrions dans le laboratoire était différent, " a déclaré Marc Jankowski, auteur principal de l'article et étudiant diplômé du Ginzton Lab. « Nous observions une amélioration des performances, et nous ne pouvions pas l'expliquer."

Après plus de simulations et d'expériences en laboratoire, le groupe a découvert que la clé n'était pas seulement de rendre les miroirs moins réfléchissants, mais aussi d'allonger la boucle de rétroaction. Cela a allongé le temps nécessaire aux impulsions lumineuses pour terminer leur boucle et aurait dû les ralentir trop. Mais la réflectivité inférieure, combiné avec la temporisation, fait interagir les impulsions de manière inattendue, ce qui les a ramenés en synchronisation avec leurs partenaires entrants.

Cette synchronisation imprévue a plus que doublé la bande passante de la sortie, ce qui signifie qu'il peut émettre une plus large plage de longueurs d'onde dans la plage difficile d'accès avec les lasers conventionnels. Pour des applications telles que la détection de molécules dans l'air ou dans l'haleine d'une personne, les sources lumineuses avec une plus grande bande passante peuvent résoudre des molécules plus distinctes. En principe, les impulsions produites par ce système pourraient être compressées jusqu'à 18 femtosecondes, qui peut être utilisé pour étudier le comportement des molécules.

La décision de réduire la réflectivité du miroir a eu pour conséquence surprenante de rendre plus robuste un appareil autrefois pointilleux, plus efficace et meilleur pour produire des impulsions lumineuses ultra-courtes dans des gammes de longueurs d'onde difficiles d'accès avec les lasers traditionnels.

Sortir du labo

Le prochain défi consiste à concevoir l'appareil pour qu'il tienne dans la paume d'une main.

« Vous parlez avec des personnes qui ont travaillé avec cette technologie au cours des 50 dernières années et elles sont très sceptiques quant à ses applications réelles, car elles considèrent ces résonateurs comme un arrangement très fin, difficile à aligner et nécessitant beaucoup de entretien, " dit Marandi, qui est également co-auteur de l'article. "Mais dans ce régime de fonctionnement, ces exigences sont super relâchées, et la source est ultra-fiable et n'a pas besoin des soins intensifs requis par les systèmes standard."

Cette nouvelle flexibilité de conception facilite la miniaturisation de tels systèmes sur une puce, ce qui pourrait conduire à de nombreuses nouvelles applications pour la détection de molécules et la télédétection.

"Parfois, vous redéfinissez complètement votre compréhension des systèmes que vous pensez connaître, " a déclaré Jankowski. " Cela change la façon dont vous interagissez avec eux, comment vous les construisez, comment vous les concevez et à quel point ils sont utiles. Nous avons travaillé sur ces sources pendant des années et maintenant nous avons des indices qui vont vraiment les aider à sortir du laboratoire et dans le monde."