Les lasers ont une capacité unique à conduire avec précision, manipuler, contrôler, et sonder la matière en utilisant une incroyable variété de méthodes. Bien qu'ils opèrent souvent en coulisses, les lasers sont l'épine dorsale de la science et de la technologie révolutionnaires, y compris les avancées de la recherche qui ont été à la base du prix Nobel de physique 2018.
Une nouvelle architecture laser appelée modulateur de lumière universel, un nouvel outil intrigant pour sonder et contrôler la matière, sera présenté lors du Congrès Laser de l'Optical Society (OSA), 4-8 novembre, En Boston. Il a été développé par le chercheur principal Sergio Carbajo et l'associé de recherche Wei Liu, à la fois avec le SLAC National Accelerator Laboratory et l'Université de Stanford.
Lumière cohérente, comme celle d'un laser, peut incarner une structure beaucoup plus complexe et sophistiquée dans la distribution électromagnétique ou d'intensité. "Quelques exemples sont des poutres vectorielles cylindriques, ou des distributions d'intensité 3-D funky qui peuvent ressembler, par exemple, un cornet gaufré ou une passoire optique, " dit Carbajo.
En raison de ces caractéristiques, le modulateur universel de lumière est en passe d'ouvrir de nouvelles frontières scientifiques et technologiques. Le hic, c'est qu'il est difficile d'exploiter la capacité d'ingénierie ou de programmation de structures légères complexes car il n'y a pas beaucoup d'options fiables disponibles pour générer cette structure, dit Carbajo.
"Actuellement, cela est principalement effectué par des appareils externes tels que les modulateurs de lumière spatiaux couramment utilisés dans les projecteurs, mais ils ont tous des limitations de puissance moyenne et de puissance de crête, ", a déclaré Carbajo. "Ces appareils peuvent brûler facilement et ne peuvent pas atteindre les applications nécessitant des niveaux de puissance importants."
Le travail du groupe Carbajo contourne cette limitation de puissance tout en conservant la capacité de générer n'importe quelle structure lumineuse arbitraire. Ils ont incorporé la capacité de programmer des faisceaux dans l'architecture laser elle-même. Cela relie le meilleur des deux mondes :la mise à l'échelle de la puissance et la structure légère.
"Nos impulsions lumineuses programmables sont constituées de faisceaux composites, " expliqua Carbajo. " Imaginez un faisceau laser composé de nombreux petits faisceaux en nid d'abeille, dont chacun est contrôlé indépendamment, bien qu'ils soient tous cohérents les uns par rapport aux autres. Ils peuvent « communiquer » les uns avec les autres et « connaître » l'état de chacun et leurs relations respectives. Lorsque tous les faisceaux sont synchronisés, ils peuvent générer collectivement n'importe quelle structure. La mise en garde ici est que cette structure est rendue discrète par le nombre de petits faisceaux. »
Cette architecture programmable est particulièrement importante dans le régime ultracourt (femtoseconde et plus court) car elle peut inspirer de nouvelles façons de penser la lumière avec des structures complexes capables de conduire des efforts scientifiques et technologiques. Les nouvelles applications potentielles incluent les télécommunications par fibre optique, micro-nano usinage et fabrication additive, piégeage optique, et les sciences des protons ultrarapides. « Cela peut changer la donne dans à peu près toutes les applications de la photonique qui nécessitent une puissance élevée, " dit Carbajo.
Les chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory souhaitent utiliser ces sources lumineuses pour adapter et manipuler des faisceaux d'électrons se propageant à la vitesse de la lumière. "En faisant cela, nous pouvons générer de nouveaux types de sources d'électrons et de rayons X afin que nous puissions imprimer la structure de la lumière sur l'électron ou les rayons X", a-t-il déclaré. "Ceux-ci peuvent ensuite devenir des instruments scientifiques avancés eux-mêmes parce que les faisceaux d'électrons et les rayons X hériterait de la structure des photons optiques."
Ensuite, le groupe souhaite explorer plusieurs efforts parallèles. "La première voie évidente est d'ajouter plus de beamlets, qui est requis par un sous-ensemble d'applications potentielles, " dit Carbajo. " Beaucoup, cependant, vous n'avez pas besoin de plus que quelques beamlets. Dans notre cas, nous avons 7+1—sept dans un nid d'abeilles, plus un pilote maître. La deuxième ramification est la mise à niveau de notre système vers des puissances beaucoup plus élevées, qui permettra également une troisième voie - une meilleure conversion des faisceaux femtoseconde fondamentaux en d'autres longueurs d'onde en utilisant des étages de conversion non linéaires, qui créerait maintenant une lumière structurée avec une composition multicolore ou hyperspectrale et une auto-synchronisation naturelle."
