Le laser électro-optique ultrarapide du NIST s'appuie sur cette "canette" en aluminium pour stabiliser et filtrer les signaux électroniques, qui rebondissent à l'intérieur jusqu'à ce que des ondes fixes émergent aux fréquences les plus fortes et bloquent ou filtrent les autres fréquences. Crédit :D. Carlson/NIST
Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont utilisé l'électronique commune pour construire un laser qui pulse 100 fois plus souvent que les lasers ultrarapides conventionnels. Cette avancée pourrait étendre les avantages de la science ultrarapide à de nouvelles applications telles que l'imagerie de matériaux biologiques en temps réel.
La technologie de fabrication des lasers électro-optiques existe depuis cinq décennies, et l'idée semble d'une simplicité séduisante. Mais jusqu'à présent, les chercheurs étaient incapables de commuter électroniquement la lumière pour produire des impulsions ultrarapides et éliminer le bruit électronique, ou d'interférence.
Comme décrit dans le numéro du 28 septembre de Science , Les scientifiques du NIST ont développé une méthode de filtrage pour réduire les interférences induites par la chaleur qui, autrement, ruineraient la cohérence de la lumière synthétisée électroniquement.
"Nous avons apprivoisé la lumière avec une canette en aluminium, " Le chef de projet Scott Papp a déclaré :se référant à la "cavité" dans laquelle les signaux électroniques sont stabilisés et filtrés. Alors que les signaux rebondissent à l'intérieur de quelque chose comme une canette de soda, les ondes fixes émergent aux fréquences les plus fortes et bloquent ou filtrent les autres fréquences.
Ultrarapide fait référence à des événements d'une durée allant de picosecondes (billions de seconde) à femtosecondes (quadrillionièmes de seconde). C'est plus rapide que le régime nanométrique, introduit dans le lexique culturel il y a quelques années avec le domaine des nanotechnologies (les nanosecondes sont des milliardièmes de seconde).
La source conventionnelle de lumière ultrarapide est un peigne de fréquence optique, une « règle » précise pour la lumière. Les peignes sont généralement fabriqués avec des lasers sophistiqués "à verrouillage de mode", qui forment des impulsions à partir de nombreuses couleurs différentes d'ondes lumineuses qui se chevauchent, créer des liens entre les fréquences optiques et hyperfréquences. L'interopérabilité des signaux optiques et hyperfréquences alimente les dernières avancées en matière de communication, systèmes de chronométrage et de détection quantique.
En revanche, Le nouveau laser électro-optique du NIST impose des vibrations électroniques micro-ondes à un laser à ondes continues fonctionnant à des fréquences optiques, découpant efficacement des impulsions dans la lumière.
"Dans n'importe quel laser ultrarapide, chaque impulsion dure, dire, 20 femtosecondes, " a déclaré l'auteur principal David Carlson. " Dans les lasers à mode verrouillé, les impulsions sortent toutes les 10 nanosecondes. Dans notre laser électro-optique, les impulsions sortent toutes les 100 picosecondes. C'est donc l'accélération ici :des impulsions ultrarapides qui arrivent 100 fois plus vite ou plus."
Graphique illustrant comment des fréquences spécifiques, ou couleurs, de lumière (pics aigus) émergent du bruit de fond électronique (bleu) dans le laser électro-optique ultrarapide du NIST. La toile de fond verticale montre comment ces couleurs se combinent pour créer un peigne de fréquence optique, ou "règle" pour la lumière. Crédit :D. Carlson/NIST
« L'imagerie chimique et biologique est un bon exemple des applications de ce type de laser, " a déclaré Papp. " Sonder des échantillons biologiques avec des impulsions ultrarapides fournit à la fois des informations d'imagerie et de composition chimique. Grâce à notre technologie, ce type d'imagerie pourrait se produire beaucoup plus rapidement. Donc, l'imagerie hyperspectrale qui prend actuellement une minute pourrait se produire en temps réel."
Pour fabriquer le laser électro-optique, Les chercheurs du NIST commencent avec un laser infrarouge à onde continue et créent des impulsions avec un oscillateur stabilisé par la cavité, qui fournit l'équivalent d'une mémoire pour s'assurer que toutes les impulsions sont identiques. Le laser produit des impulsions optiques à un taux de micro-ondes, et chaque impulsion est dirigée à travers une structure de guide d'ondes à micropuce pour générer beaucoup plus de couleurs dans le peigne de fréquence.
Le laser électro-optique offre une vitesse sans précédent associée à une précision et une stabilité comparables à celles d'un laser à mode verrouillé, dit Papy. Le laser a été construit à l'aide de composants commerciaux de télécommunications et de micro-ondes, rendant le système très fiable. La combinaison de la fiabilité et de la précision rend les peignes électro-optiques attrayants pour les mesures à long terme de réseaux d'horloges optiques ou de systèmes de communication ou de capteurs dans lesquels les données doivent être acquises plus rapidement qu'il n'est actuellement possible.
