Les physiciens russes ont développé une méthode pour rétrécir considérablement le spectre d'émission d'un laser à diode ordinaire, comme ça dans un pointeur laser. Cela fait de leur appareil un remplacement utile pour les lasers à fréquence unique plus complexes et coûteux, permettant la création d'analyseurs chimiques compacts pouvant s'intégrer dans les smartphones, lidars bon marché pour voitures autonomes, ainsi que des systèmes de surveillance de la sécurité et de la santé structurelle sur les ponts, gazoducs et ailleurs. L'étude a été publiée le 26 octobre dans Photonique de la nature et a été co-écrit par des chercheurs du Russian Quantum Center (RQC), l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT), Université d'État Lomonossov de Moscou (MSU), et Samsung R&D Institute Russie.

« Ce travail a deux résultats principaux, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Directeur scientifique du RQC Michael Gorodetsky, qui est également professeur à la MSU. "D'abord, il sert à montrer qu'il est possible de fabriquer un laser à faible largeur de raie peu coûteux, à fréquence unique, mais très efficace et compact. Deuxièmement, le même système avec pratiquement aucune modification peut être utilisé pour générer des peignes de fréquence optique. Il peut ainsi être le composant central d'un analyseur chimique spectroscopique."

Les applications des lasers sont nombreuses. Parmi eux se trouvent la chirurgie oculaire au laser, viseurs laser et communication par fibre optique. L'une des principales utilisations des lasers est la spectroscopie, qui mesure la composition chimique précise de pratiquement tout.

La technique dite du peigne de fréquence optique sous-tend la spectroscopie laser, lancé par les lauréats du prix Nobel de physique 2005, John Hall des États-Unis et Theodor Hänsch d'Allemagne. Les deux ont développé un dispositif laser qui génère un rayonnement optique à 1 million de fréquences extrêmement stables. Le rayonnement dans le milieu de gain de ces lasers "rebondit" entre les miroirs et est finalement émis sous la forme d'un train continu de brèves impulsions lumineuses d'un million de couleurs différentes. Chaque impulsion ne dure que quelques femtosecondes, soit des millionièmes de milliardième de seconde. Le spectre d'émission d'un tel laser est constitué d'un grand nombre de raies spectrales étroites régulièrement espacées, les "dents" du peigne optique.

Un peigne de fréquence laser optique peut être utilisé comme une « règle » pour mesurer avec précision la fréquence de la lumière et donc effectuer des mesures spectrométriques précises. D'autres applications incluent la navigation par satellite, transfert de données de temps précis, et la méthode de la vitesse radiale pour détecter les planètes extrasolaires.

Les chercheurs ont trouvé un moyen plus simple de générer des peignes de fréquence, qui repose sur des microrésonateurs optiques. Ce sont des composants transparents en forme d'anneau ou de disque. En raison de la non-linéarité de leur matériau, ils transforment le rayonnement laser pompe en peigne de fréquence, également appelé micropeigne.

"Les microrésonateurs optiques avec des modes de galerie de chuchotement ont été proposés pour la première fois à la faculté de physique de MSU en 1989. Ils offrent une combinaison unique de taille submillimétrique et un facteur de qualité extrêmement élevé, " a expliqué le co-auteur de l'étude, Le doctorant du MIPT Nikolay Pavlov. "Les microrésonateurs ouvrent la voie à la génération de peignes optiques dans un espace compact et sans consommer beaucoup d'énergie."

Pas n'importe quel laser peut être utilisé pour pomper des peignes de fréquence optique dans un microrésonateur. Le laser doit être à la fois puissant et monochromatique. Ce dernier signifie que la lumière qu'il émet doit tomber dans une bande de fréquence très étroite. Les lasers les plus courants aujourd'hui sont les lasers à diodes. Bien qu'ils soient compacts et pratiques, en spectroscopie, ils sont en deçà de dispositifs plus complexes et coûteux. La raison en est que les lasers à diodes ne sont pas suffisamment monochromatiques :le rayonnement qu'ils émettent est « étalé » sur une bande de 10 nanomètres.

"Pour réduire la largeur de raie d'une diode laser, il est généralement stabilisé à l'aide d'un résonateur externe ou d'un réseau de diffraction, " a expliqué Gorodetsky. " Cela réduit la largeur de ligne, mais le coût est une diminution importante de la puissance, et l'appareil n'est plus bon marché, il n'est pas non plus compact."

Les chercheurs ont trouvé une solution simple et élégante au problème. Pour rendre la lumière laser plus monochrome, ils ont utilisé les microrésonateurs mêmes qui génèrent des peignes de fréquence optique. De cette façon, ils ont réussi à conserver presque la même puissance laser et la même taille - le microrésonateur ne mesure que quelques millimètres de diamètre - tout en augmentant la monochromaticité d'un facteur de près d'un milliard. C'est-à-dire, la bande de transmission est réduite à des attomètres - des milliardièmes de milliardième de mètre - et un peigne de fréquence optique est généré, si nécessaire.

« A partir de maintenant, des lasers à diodes compacts et bon marché sont disponibles pour la quasi-totalité du spectre optique, " ajouta Pavlov. " Cependant, leur largeur de ligne naturelle et leur stabilité sont insuffisantes pour de nombreuses tâches potentielles. Dans ce document, nous montrons qu'il est possible de réduire efficacement le large spectre des puissants lasers à diodes multifréquences, à presque aucun coût pour le pouvoir. La technique que nous employons consiste à utiliser un microrésonateur comme résonateur externe pour verrouiller la fréquence de la diode laser. Dans ce système, le microrésonateur peut à la fois réduire la largeur de raie et générer le peigne de fréquence optique."

La conception proposée a de nombreuses applications possibles. L'un d'eux est dans les télécommunications, où elle améliorerait considérablement la bande passante des réseaux de fibre optique en augmentant le nombre de canaux. Un autre domaine qui en bénéficierait est la conception de capteurs, tels que les réflectomètres utilisés comme base des systèmes de sécurité et de surveillance. Par exemple, si un câble à fibres optiques longe un pont ou un oléoduc, la lumière dans le câble répondra aux moindres perturbations ou variations de la géométrie de l'objet, identifier les problèmes potentiels.

Les lasers monofréquence peuvent être utilisés dans les lidars, ou radars optiques, qui sont installés sur les voitures autonomes, entre autres utilisations. Finalement, la technologie permet des analyseurs très précis, tels que ceux mesurant la composition de l'air ou exécutant des diagnostics médicaux, qui pourraient être intégrés dans des smartphones ou des montres.

"La demande pour de tels lasers serait vraiment élevée, " dit Gorodetsky.

Le physicien a également souligné que tous les auteurs de l'article sont des chercheurs russes, ce qui est une occasion assez rare pour des publications dans une revue de si haut niveau.