En utilisant des ondes lumineuses au lieu du courant électrique pour transmettre des données, Les puces photoniques (circuits pour la lumière) ont fait progresser la recherche fondamentale dans de nombreux domaines, de l'horlogerie aux télécommunications. Mais pour de nombreuses applications, les faisceaux lumineux étroits qui parcourent ces circuits doivent être sensiblement élargis afin de se connecter aux plus grands, systèmes hors puce. Des faisceaux lumineux plus larges pourraient augmenter la vitesse et la sensibilité des procédures d'imagerie médicale et de diagnostic, des systèmes de sécurité qui détectent des traces de produits chimiques toxiques ou volatils et des dispositifs qui dépendent de l'analyse de grands groupes d'atomes.

Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont maintenant développé un convertisseur très efficace qui agrandit le diamètre d'un faisceau lumineux de 400 fois. Le physicien du NIST Vladimir Aksyuk et ses collègues, y compris des chercheurs du NanoCenter de l'Université du Maryland à College Park, Maryland, et Texas Tech University à Lubbock, ont décrit leur travail dans la revue Lumière :science et applications .

Le convertisseur élargit la section transversale, ou surface du faisceau, en deux étapes consécutives. Initialement, la lumière se déplace le long d'un guide d'ondes optique - un mince, canal transparent dont les propriétés optiques limitent le diamètre du faisceau à quelques centaines de nanomètres, moins d'un millième du diamètre moyen d'un cheveu humain. Parce que le canal du guide d'ondes est si étroit, une partie de la lumière circulante s'étend vers l'extérieur au-delà des bords du guide d'ondes. Profitant de cet élargissement, l'équipe a placé une dalle rectangulaire composée du même matériau que le guide d'ondes un minuscule, distance mesurée avec précision du guide d'ondes. La lumière peut sauter à travers le petit espace entre les deux composants et s'infiltrer progressivement dans la dalle.

La dalle conserve la faible largeur de la lumière dans la dimension verticale (de haut en bas), mais il ne fournit pas de telles contraintes pour le latéral, ou de côté, dimension. Au fur et à mesure que l'écart entre le guide d'ondes et la dalle est modifié, la lumière dans la dalle forme un faisceau dirigé avec précision 400 fois plus large que le diamètre d'environ 300 nm du faisceau d'origine.

Dans la deuxième étape de l'expansion, qui agrandit la dimension verticale de la lumière, le faisceau traversant la dalle rencontre un réseau de diffraction. Ce dispositif optique a des linéatures ou lignes périodiques, dont chacun diffuse la lumière. L'équipe a conçu la profondeur et l'espacement des linéatures pour varier afin que les ondes lumineuses se combinent, formant un seul faisceau large dirigé presque à angle droit par rapport à la surface de la puce.

Surtout, la lumière reste collimatée, ou précisément parallèle, tout au long du processus d'expansion en deux étapes, afin qu'il reste sur la cible et ne s'étale pas. La zone du faisceau collimaté est maintenant suffisamment grande pour parcourir la longue distance nécessaire pour sonder les propriétés optiques de grands groupements diffus d'atomes.

Travaillant avec une équipe dirigée par John Kitching du NIST à Boulder, Colorado, les chercheurs ont déjà utilisé le convertisseur à deux étages pour analyser avec succès les propriétés de quelque 100 millions d'atomes de rubidium gazeux alors qu'ils sautaient d'un niveau d'énergie à un autre. C'est une preuve de concept importante car les appareils basés sur les interactions entre la lumière et les gaz atomiques peuvent mesurer des quantités telles que le temps, longueur et champs magnétiques et ont des applications dans la navigation, communication et médecine.

"Les atomes bougent très vite, et si le faisceau qui les surveille est trop petit, ils entrent et sortent du faisceau si rapidement qu'il devient difficile de les mesurer, " dit Kitching. "Avec de gros faisceaux laser, les atomes restent plus longtemps dans le faisceau et permettent une mesure plus précise des propriétés atomiques, " a-t-il ajouté. De telles mesures pourraient conduire à une amélioration des normes de longueur d'onde et de temps.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.