Le système laser développé à TU Wien crée de nombreuses fréquences avec un espacement égal entre elles Crédit :TU Wien
La plupart des lasers émettent des photons exactement de la même longueur d'onde, produire une seule couleur. Cependant, il y a aussi des lasers qui se composent de plusieurs fréquences, avec des intervalles égaux entre les deux, comme dans les dents d'un peigne; Donc, ils sont appelés "peignes de fréquence". Les peignes de fréquence sont parfaits pour détecter une variété de substances chimiques.
A la TU Wien (Vienne), ce type spécial de lumière laser comprend un laboratoire de chimie au format millimétrique. Avec cette nouvelle technologie en instance de brevet, des peignes de fréquence peuvent être créés sur une seule puce de manière très simple et robuste. Ce travail est maintenant présenté dans la revue Photonique de la nature .
Les peignes à fréquence existent depuis des années. En 2005, l'innovation a reçu le prix Nobel de physique. "Ce qui est passionnant à leur sujet, c'est qu'il est relativement facile de construire un spectromètre avec deux peignes de fréquence, " explique Benedikt Schwarz, qui dirige le projet de recherche. "Il est possible d'utiliser des battements entre différentes fréquences, similaires à ceux qui se produisent en acoustique, si vous écoutez deux tonalités différentes avec une fréquence similaire. Nous utilisons cette nouvelle méthode, car il ne nécessite aucune pièce mobile et nous permet de développer un laboratoire de chimie miniature à l'échelle millimétrique."
A l'Université de Technologie de Vienne, les peignes de fréquence sont réalisés avec des lasers à cascade quantique. Ces lasers spéciaux sont des structures semi-conductrices constituées de plusieurs couches. Lorsque le courant électrique est envoyé à travers la structure, le laser émet de la lumière dans la gamme infrarouge. Les propriétés de la lumière peuvent être contrôlées en ajustant la géométrie de la structure des couches.
"A l'aide d'un signal électrique d'une fréquence spécifique, nous pouvons contrôler nos lasers à cascade quantique et leur faire émettre une série de fréquences lumineuses, qui sont tous couplés ensemble, " dit Johannes Hillbrand, premier auteur de la publication. Le phénomène rappelle les balançoires sur un cadre à bascule - au lieu de pousser des balançoires individuelles, on peut faire vaciller l'échafaudage à la bonne fréquence, provoquant l'oscillation de toutes les oscillations dans certains modèles couplés.
"Le gros avantage de notre technologie est la robustesse du peigne de fréquence, " dit Benedikt Schwarz. Sans cette technique, les lasers sont extrêmement sensibles aux perturbations, qui sont inévitables en dehors du laboratoire, comme les fluctuations de température, ou des réflexions qui renvoient une partie de la lumière dans le laser. "Notre technologie peut être réalisée avec très peu d'effort et est donc parfaite pour des applications pratiques même dans des environnements difficiles. Fondamentalement, les composants dont nous avons besoin se trouvent dans chaque téléphone mobile, " dit Schwarz.
L'équipe de la TU Wien :Benedikt Schwarz, Aaron Maxwell Andrews, Gottfried Strasser, Johannes Hillbrand, Hermann Detz (de gauche à droite). Crédit :TU Vienne
Le fait que le laser à cascade quantique génère un peigne de fréquence dans l'infrarouge est crucial, car bon nombre des molécules les plus importantes peuvent être mieux détectées par la lumière dans cette gamme de fréquences. "Divers polluants atmosphériques, mais aussi des biomolécules, qui jouent un rôle important dans le diagnostic médical, absorber des fréquences lumineuses infrarouges très spécifiques. Ceci est souvent appelé l'empreinte optique de la molécule, », explique Johannes Hillbrand. « Alors, quand on mesure, quelles fréquences infrarouges sont absorbées par un échantillon de gaz, nous pouvons dire exactement quelles substances il contient."
Mesures dans la puce électronique
« En raison de sa robustesse, notre système a un avantage décisif sur toutes les autres technologies de peignes de fréquence :il peut être facilement miniaturisé, " dit Benedikt Schwarz. " Nous n'avons pas besoin de systèmes de lentilles, pas de pièces mobiles et pas d'isolateurs optiques, les structures nécessaires sont minuscules. L'ensemble du système de mesure peut être logé sur une puce au format millimétrique."
Cela pourrait avoir des applications spectaculaires :des puces installées sur un drone pourraient mesurer les polluants atmosphériques, par exemple. Des puces fixées au mur pourraient rechercher des traces de substances explosives dans les bâtiments. Ils pourraient également être utilisés dans des équipements médicaux pour détecter des maladies en analysant des produits chimiques dans l'air respiratoire.
« D'autres équipes de recherche sont déjà très intéressées par notre système. Nous espérons qu'il sera bientôt utilisé non seulement dans la recherche académique, mais aussi dans les applications quotidiennes, ", explique Benedikt Schwarz.
