Un nouveau dispositif conçu par le professeur d'optique Chunlei Guo et le doctorant Billy Lam est un « pas en avant révolutionnaire » pour caractériser les propriétés des faisceaux laser d'une manière beaucoup plus fiable et puissante que les interféromètres traditionnels. Crédit :J. Adam Fenster/Université de Rochester
Si vous voulez tirer le meilleur parti d'un faisceau de lumière, que ce soit pour détecter une planète lointaine ou remédier à une aberration de l'œil humain, vous devez être capable de mesurer ses informations de front de faisceau.
Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'Université de Rochester a mis au point un moyen beaucoup plus simple de mesurer les faisceaux de lumière, même puissants, des faisceaux laser pulsés ultrarapides qui nécessitent des dispositifs très compliqués pour caractériser leurs propriétés.
Le nouvel appareil donnera aux scientifiques une capacité sans précédent d'affiner même les impulsions lumineuses les plus rapides pour une multitude d'applications, dit Chunlei Guo, professeur d'optique, qui a utilisé des faisceaux laser pulsés femtosecondes pour traiter des surfaces métalliques de manière remarquable. Et cela pourrait rendre obsolètes les instruments traditionnels de mesure des faisceaux lumineux.
"C'est un pas en avant révolutionnaire, " dit Guo. " Dans le passé, nous avons dû caractériser des faisceaux lumineux avec des dispositifs interférométriques encombrants, mais maintenant nous pouvons le faire avec un seul cube optique. C'est hyper compact, hyper fiable, et super robuste."
Le dispositif, développé par Guo et Billy Lam, un doctorat étudiant dans son laboratoire, est décrit dans Lumière de la nature :science et applications . Appelé interféromètre à cisaillement à retournement coincé, il se compose d'un cube prismatique, assemblé à partir de deux prismes à angle droit.
-Le cube a deux entrées inclinées et divise le faisceau en deux parties.
Lorsque le faisceau sort du cube, la lumière réfléchie de la partie gauche du faisceau et la lumière transmise de la partie droite du faisceau sont émises depuis une face du cube. Inversement, la lumière transmise de la partie gauche du faisceau et la lumière réfléchie de la partie droite sont émises depuis une autre face du cube.
Cela crée un motif "d'interférence" extrêmement stable pour Guo et son équipe pour mesurer toutes les caractéristiques spatiales clés d'un faisceau lumineux - son amplitude, phase, polarisation, longueur d'onde, et, dans le cas des faisceaux pulsés, la durée des impulsions. Et pas seulement en moyenne sur tout le faisceau, mais en chaque point du faisceau.
Ceci est particulièrement important dans les applications d'imagerie, dit Guo. "Si un faisceau n'est pas parfait, et il y a un défaut sur l'image, il est important de savoir que le défaut est dû au faisceau, et non à cause d'une variation de l'objet que vous visualisez, " dit Guo.
A gauche se trouve la conception de base d'un interféromètre traditionnel, et à droite le design plus compact de l'interféromètre créé dans le laboratoire du professeur d'optique Chunlei Guo. Ce nouvel interféromètre à cisaillement à inversion de coin a l'avantage supplémentaire de pouvoir mesurer les informations de front de faisceau ou de front d'onde de puissants, faisceaux laser pulsés ultrarapides, Crédit :illustration de l'Université de Rochester / Michael Osadciw
"Idéalement, vous devriez avoir un faisceau parfait pour faire de l'imagerie. Et si vous ne le faites pas, tu ferais mieux de le savoir, et puis vous pouvez corriger vos mesures. Les lasers ultrarapides sont essentiels pour enregistrer des processus dynamiques, et disposer d'un dispositif extrêmement simple mais robuste pour caractériser les faisceaux laser ultrarapides ou de tout type est certainement important."
Albert Michaelson a démontré le premier interféromètre dans les années 1880, à l'aide d'un séparateur de faisceau et de deux miroirs. Les principes de base restent les mêmes dans les interféromètres utilisés aujourd'hui.
Le séparateur de faisceau envoie la lumière divisée sur différents chemins optiques vers les miroirs. Les miroirs réfléchissent ensuite chaque faisceau divisé afin qu'ils se recombinent au niveau du diviseur de faisceau. Les chemins différents empruntés par les deux faisceaux séparés provoquent une différence de phase qui crée un motif de franges d'interférence. Ce modèle est ensuite analysé par un détecteur pour évaluer les caractéristiques de l'onde.
Cette approche a assez bien fonctionné pour caractériser les faisceaux laser à onde continue car ils ont un long temps de « cohérence », leur permettant d'interférer même après avoir été divisés, envoyé le long de deux chemins de longueurs différentes, puis recombiné, dit Guo.
Cependant, étant donné la courte durée d'un faisceau laser pulsé femtoseconde - environ un millionième de milliardième de seconde - Interféromètre simple comme la plaque de cisaillement, où les faisceaux réfléchis par les surfaces avant et arrière interfèrent, ne fonctionne plus." dit Guo. Les faisceaux laser pulsés femtoseconde perdraient rapidement leur cohérence le long des voies non équidistantes d'un interféromètre typique.
Le cube de prisme est conçu de manière à éliminer ce problème, il dit. Le prisme cube est le premier interféromètre à élément unique capable de caractériser des impulsions laser femtosecondes ou même plus courtes.
Les impulsions laser femtosecondes offrent deux avantages. Leur durée incroyablement courte est comparable aux échelles de temps auxquelles "de très nombreux processus fondamentaux dans la nature se produisent, " dit Guo. Ces processus incluent un électron se déplaçant autour du noyau d'un atome, la vibration "réseau" des atomes et des molécules, et le déploiement de protéines biologiques. Donc, Les dernières impulsions femtosecondes fournissent aux chercheurs un outil pour étudier et manipuler ces processus.
Les impulsions laser femtosecondes sont également incroyablement puissantes. "La puissance de crête d'une impulsion laser femtoseconde dans mon laboratoire est équivalente à l'ensemble du réseau électrique nord-américain, " dit Guo. Cela permet à son laboratoire d'utiliser les impulsions laser pour graver des surfaces métalliques avec de nouvelles propriétés, ils deviennent donc super hydrofuges ou attirant l'eau.
