Les chercheurs ont développé un laser compact qui émet une lumière avec une pureté spectrale extrême qui ne change pas en réponse aux conditions environnementales. Le nouveau laser potentiellement portable pourrait bénéficier à une multitude d'applications scientifiques, améliorer les horloges des systèmes de positionnement global (GPS), faire progresser la détection des ondes gravitationnelles dans l'espace et être utile pour l'informatique quantique.

Des chercheurs du laboratoire Lincoln du Massachusetts Institute of Technology, Les États-Unis décrivent leur nouveau laser en Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact.

Même si un laser est conçu pour émettre uniquement dans une longueur d'onde, les changements de température et d'autres facteurs environnementaux introduisent souvent du bruit qui provoque un décalage ou un élargissement de la fréquence de l'émission lumineuse. L'étendue spectrale élargie de cette émission est connue sous le nom de largeur de raie laser. Les chercheurs ont utilisé une nouvelle approche pour créer un laser à fibre optique avec une largeur de raie spectrale plus étroite que jamais atteinte par un laser à fibre ou à semi-conducteur. Le même laser fournit également une méthode pour détecter et corriger des changements de température aussi petits que 85 nanoKelvin, ou 85 milliardièmes de degré.

"Aujourd'hui, les lasers à cavité à ultra-faible expansion (ULE) présentent la largeur de ligne la plus étroite et les performances les plus élevées, mais ils sont encombrants et très sensibles au bruit ambiant, " dit Guillaume Loh, le premier auteur de l'article. « Notre objectif est de remplacer les lasers ULE par un autre qui pourrait être portable et insensible au bruit environnemental. »

Obtenir une largeur de ligne étroite

Les chercheurs ont développé un laser basé sur une boucle courte (~2 mètres) de fibre optique configurée comme un résonateur en anneau. Les lasers à fibre sont compacts et robustes et ont tendance à réagir relativement lentement aux changements environnementaux. Les chercheurs ont combiné les avantages de la fibre avec un effet optique non linéaire connu sous le nom de diffusion Brillouin pour obtenir un laser avec une largeur de raie de seulement 20 hertz. En comparaison, d'autres lasers à fibre peuvent atteindre des largeurs de raie entre 1000 et 10, 000 hertz, et les lasers à semi-conducteurs du commerce ont généralement une largeur de raie d'environ 1 million de hertz.

Pour rendre le laser extrêmement stable face aux changements environnementaux à long et à court terme, les chercheurs ont développé un moyen de référencer le signal laser contre lui-même pour détecter les changements de température. Leur méthode est très sensible par rapport à d'autres approches de mesure de température et permet le calcul d'un signal de correction précis qui peut être utilisé pour ramener le laser à la longueur d'onde d'émission de la température d'origine.

"La température est un contributeur important au bruit laser, " a déclaré Loh. " Un laser de haute qualité doit non seulement avoir une largeur de raie laser étroite, mais aussi un moyen de maintenir cette émission stable à long terme. "

Améliorer le GPS

Cette nouvelle source de lumière pourrait être utilisée pour améliorer une nouvelle génération d'horloges atomiques optiques utilisées pour les appareils compatibles GPS. Le GPS permet aux utilisateurs de localiser leur emplacement sur Terre en triangulant avec les signaux reçus d'un réseau de satellites contenant des horloges atomiques avancées. Chaque satellite fournit un horodatage, et le système calcule un emplacement sur la base des différences relatives entre ces moments.

"Nous pensons que les horloges atomiques basées sur notre écurie, un laser à largeur de raie étroite pourrait être utilisé pour localiser plus précisément l'heure d'arrivée du signal, améliorer la précision de localisation des systèmes GPS d'aujourd'hui, " a déclaré Loh. " Le fait que notre laser soit compact signifie qu'il pourrait être utilisé à bord de satellites. "

Le laser pourrait également être bénéfique pour les interféromètres comme ceux utilisés par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) pour détecter les ondes gravitationnelles provenant de la collision de trous noirs ou d'étoiles qui s'effondrent. Des lasers ultrastables sont nécessaires pour cette application car le bruit laser empêche l'interféromètre de pouvoir détecter les très petites perturbations d'une onde gravitationnelle.

"Des efforts sont en cours pour utiliser des lasers dans l'espace pour créer des bras d'interféromètre plus longs pour l'observation des ondes gravitationnelles, " a déclaré Loh. " En raison de sa taille compacte et de sa robustesse, notre laser pourrait être un candidat pour la détection des ondes gravitationnelles dans l'espace."

Les chercheurs disent que bien que leur nouveau laser soit robuste, il s'agit actuellement d'un système de paillasse adapté à une utilisation en laboratoire. Ils travaillent maintenant au développement d'un emballage plus petit pour le laser et incorporeront des composants optiques plus petits pour créer une version portable qui pourrait être aussi petite qu'un smartphone.