Image au microscope électronique montrant un détail d'un défaut d'ingénierie. La fente d'air agit comme un point de réflexion dans le guide d'ondes, induisant des ondes contra-propagatives. Crédit:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Nous avons tous connu l'air et l'eau turbulents, mais saviez-vous que la lumière peut aussi être turbulente ?
Une équipe internationale de chercheurs, dirigé par Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), ont exploité la turbulence de la lumière pour créer un type spécifique de laser de haute précision, connu sous le nom de peigne de fréquence laser, dans un système que l'on croyait incapable de produire un tel laser. La découverte pourrait être utilisée dans une nouvelle génération de dispositifs pour des applications telles que la spectroscopie optique et la détection.
La recherche est publiée dans La nature .
Les peignes de fréquence sont des outils largement utilisés pour détecter et mesurer différentes fréquences de lumière avec une précision unique. Contrairement aux lasers conventionnels, qui émettent une seule fréquence, ces lasers émettent plusieurs fréquences en synchronisme, régulièrement espacés pour ressembler aux dents d'un peigne. Aujourd'hui, ils sont utilisés dans tout, de la surveillance de l'environnement et de la détection chimique à la recherche d'exoplanètes, communications optiques et métrologie et synchronisation de haute précision.
Capasso et son équipe chez SEAS ont travaillé pour rendre ces appareils plus efficaces et compacts pour des applications telles que les télécommunications et la détection portable.
En 2019, Capasso et son équipe ont découvert comment transmettre des signaux sans fil à partir de peignes de fréquence laser, création du premier émetteur radio laser. Les chercheurs ont utilisé des lasers semi-conducteurs à cascade quantique en forme de très petites barres Kit Kat, qui a généré des peignes de fréquence en faisant rebondir la lumière d'un bout à l'autre. Cette lumière rebondissante a créé des ondes contra-propagatives qui interagissent les unes avec les autres pour générer les différentes fréquences du peigne. Cependant, ces appareils émettaient encore beaucoup de lumière qui n'était pas utilisée dans les applications de radiocommunication.
« En entrant dans cette recherche, notre question principale était comment pouvons-nous faire une meilleure géométrie pour les radios laser, " a déclaré Marco Piccardo, un ancien boursier postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article.
Piccardo est actuellement chercheur à l'Istituto Italiano di Tecnologia de Milan.
Image au microscope de lasers semi-conducteurs monolithiques fabriqués avec des guides d'ondes annulaires. Lorsqu'il est allumé, la lumière dans ces lasers manifeste un flux turbulent, tout comme le mouvement d'un nuage orageux. Cette turbulence est la clé pour générer de nouveaux peignes de fréquence. Crédit :Harvard SEAS
Les chercheurs se sont tournés vers les lasers à cascade quantique en anneau, lequel, en raison de leur forme circulaire, peut générer un laser à très faible perte optique. Cependant, les lasers annulaires ont un problème fondamental lorsqu'il s'agit de générer des peignes de fréquence :les faisceaux lumineux se déplaçant dans un cercle parfait ne se propagent que dans une direction, dans le sens horaire ou antihoraire, et ne peut donc pas générer les ondes contra-propagatives nécessaires pour former un peigne. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont introduit de petits défauts dans les anneaux et ont comparé les résultats à un groupe d'anneaux sans défaut.
Mais lorsque les chercheurs ont mené l'expérience, les résultats ont pris tout le monde par surprise.
Les bagues parfaites, dont les théories physiques précédentes disaient qu'il ne pouvait pas générer de peigne de fréquence, peignes de fréquence générés.
"Quand on a vu ça, nous avons pensé que c'était super pour nous, car c'est exactement le genre de lumière que nous recherchons, seulement nous ne nous attendions pas à le trouver dans cette expérience particulière. Le succès semblait contredire la théorie actuelle du laser, " a déclaré Benedikt Schwarz, chercheur à la TU Wien à Vienne et co-auteur de l'étude.
Les chercheurs ont tenté d'expliquer comment un tel phénomène pouvait se produire, et a finalement rencontré des turbulences. Dans les fluides, la turbulence se produit lorsqu'un écoulement de fluide ordonné se brise en tourbillons de plus en plus petits qui interagissent les uns avec les autres jusqu'à ce que le système finisse par sombrer dans le chaos. À la lumière, cela prend la forme d'instabilités d'ondes, dans lequel une petite perturbation devient de plus en plus grosse et finit par dominer la dynamique du système.
Les chercheurs ont découvert que de petites fluctuations du courant utilisé pour pomper le laser provoquaient de petites instabilités dans les ondes lumineuses, même dans un laser annulaire parfait. Ces instabilités se sont développées et ont interagi les unes avec les autres, comme dans un fluide turbulent. Ces interactions ont ensuite provoqué l'apparition d'un peigne de fréquence stable.
"Nous n'avons pas seulement modifié la géométrie des peignes de fréquence laser, nous avons découvert un tout nouveau système pour créer ces appareils, et ce faisant, refondre une loi fondamentale des lasers, " dit Piccardo.
À l'avenir, ces dispositifs peuvent être utilisés comme microrésonateurs à pompage électrique sur des circuits photoniques intégrés. Les microrésonateurs à puce d'aujourd'hui sont passifs, ce qui signifie que l'énergie doit être pompée optiquement de l'extérieur, augmentant la taille et la complexité du système. Mais le peigne de fréquence laser annulaire est actif, ce qui signifie qu'il peut générer sa propre lumière simplement en y injectant du courant électrique. Il permet également d'accéder à des régions du spectre électromagnétique qui ne sont pas couvertes par les microrésonateurs. Cela pourrait être utile dans une gamme d'applications, comme la spectroscopie optique et la détection chimique.
"C'est une première étape très importante dans la connexion de microrésonateurs passifs avec des peignes de fréquence actifs, " a déclaré Capasso. " La combinaison des avantages de ces deux dispositifs pourrait avoir des implications fondamentales et technologiques importantes. "
