La spectroscopie a ses racines dans la curiosité du début du XIXe siècle pour les interactions entre la matière et le rayonnement électromagnétique. Grâce aux progrès de l'électronique et de la science des matériaux, diverses techniques de spectroscopie sont maintenant couramment utilisées pour étudier la composition des matériaux et la nature de leurs liaisons chimiques en analysant comment ils absorbent ou réfléchissent les ondes électromagnétiques.

Différents matériaux ont des profils d'absorption différents sur une large gamme de fréquences. Quelques caractéristiques importantes dans certains systèmes moléculaires, comme les liaisons hydrogène dans les systèmes aqueux ou l'auto-assemblage de protéines, ne peuvent être appréciés dans leurs profils d'absorption qu'à des fréquences de l'ordre du térahertz (THz, 1000 milliards de Hertz), une gamme proche infrarouge. Les scientifiques ont activement développé des techniques de spectroscopie compatibles avec ces hautes fréquences, et une prometteuse est la spectroscopie THz à double peigne.

Bien que cette méthode offre de nombreux avantages par rapport aux autres dans la gamme térahertz, son utilisation a été limitée en raison de la grande complexité du système de mesure, qui nécessite généralement deux lasers stables indépendants comme sources de rayonnement. Maintenant, chercheurs de l'Université de Tokushima, Japon, Université de Beihang, Chine, et Université du Littoral Côte d'Opale, La France, ont rapporté un nouveau schéma pour la spectroscopie THz à double peigne qui ne nécessite qu'une seule source laser tout en offrant une résolution exceptionnelle.

Pour comprendre les principaux aspects de leur méthode, il aide à comprendre les bases de la spectroscopie THz à double peigne. Le terme "double peigne" fait référence au fait que les impulsions laser, lorsqu'il est tracé en fonction de la fréquence, ressembler à une série de pointes équidistantes (lignes spectrales) sur une large gamme de fréquences dans la région térahertz, et donc un "peigne". En spectroscopie double peigne, deux lasers avec des « peignes » légèrement différents sont utilisés pour mesurer le profil d'absorption d'un échantillon. En raison de la nature du système, le signal réellement mesuré, qui résulte du "mélange" des deux peignes, occupe une gamme de fréquences beaucoup plus basse mais reflète toujours toutes les informations à haute fréquence d'intérêt. L'utilisation de deux lasers, cependant, peut entraîner un problème de contrôle de la stabilisation.

Pour résoudre le problème de la stabilisation, les chercheurs ont utilisé un seul laser pour produire les deux peignes. Cependant, lorsque les deux peignes sont produits par la même source laser, une « gigue » ou une instabilité temporelle brouille les informations haute fréquence reflétées dans le signal basse fréquence final qui est mesuré. Ils ont corrigé ce phénomène indésirable en utilisant une technique appelée échantillonnage adaptatif , par lequel le signal à acquérir numériquement n'est pas échantillonné à des périodes de temps égales mais à des moments spécifiques calculés pour minimiser les dérives ou les erreurs dans la synchronisation relative entre les peignes.

Pour démontrer leur méthode, les chercheurs ont effectué des mesures sur un mélange d'air et du composé acétonitrile. Ce gaz spécial présente des caractéristiques lorsqu'il est irradié avec un rayonnement térahertz et, le plus important, ces caractéristiques varient légèrement avec la pression. Étant donné que ces variations sont très faibles, les approches précédentes de spectroscopie à double peigne utilisant un seul laser n'étaient pas en mesure de les détecter en raison de leur résolution limitée. En revanche, les chercheurs pourraient utiliser le schéma proposé dans cette étude pour observer avec précision bon nombre de ces caractéristiques. Ils signalent une largeur de raie d'absorption remarquablement étroite (25 MHz) - la première obtenue avec un laser à fibre à double peigne.

Les chercheurs travaillent déjà sur une autre technique complémentaire qui pourrait pousser encore plus loin la résolution de la spectroscopie THz à double peigne avec un seul laser. La réduction de la complexité du système résultant de leur utilisation de la technique d'échantillonnage adaptatif pourrait élargir les domaines d'application de la spectroscopie THz précise, fournir aux scientifiques un outil puissant mais simple pour explorer davantage le monde matériel.