Les impulsions laser d'une durée de quelques femtosecondes (un quadrillionième de seconde) sont étirées jusqu'à la nanoseconde (un milliardième de seconde). Crédit :© 2020 Ideguchi et al.
La spectroscopie est un outil d'observation important dans de nombreux domaines de la science et de l'industrie. La spectroscopie infrarouge est particulièrement importante dans le monde de la chimie, où il est utilisé pour analyser et identifier des molécules. La méthode de pointe actuelle peut faire environ 1 million d'observations par seconde. Les chercheurs d'UTokyo ont largement dépassé ce chiffre avec une nouvelle méthode environ 100 fois plus rapide.
De la climatologie aux systèmes de sécurité, fabrication au contrôle qualité des denrées alimentaires, la spectroscopie infrarouge est utilisée dans tant de domaines académiques et industriels qu'elle est omniprésente, bien qu'invisible, partie de la vie quotidienne. En substance, la spectroscopie infrarouge est un moyen d'identifier les molécules présentes dans un échantillon d'une substance avec un degré élevé de précision. L'idée de base existe depuis des décennies et a subi des améliorations en cours de route.
En général, La spectroscopie infrarouge fonctionne en mesurant la lumière infrarouge transmise ou réfléchie par les molécules d'un échantillon. Les vibrations inhérentes aux échantillons modifient les caractéristiques de la lumière de manière très spécifique, fournissant essentiellement une empreinte chimique, ou spectres, qui est lu par un circuit détecteur et analyseur ou un ordinateur. Il y a cinquante ans, les meilleurs outils pouvaient mesurer un spectre par seconde, et pour de nombreuses applications, c'était plus que suffisant.
Plus récemment, une technique appelée spectroscopie à double peigne a atteint un taux de mesure de 1 million de spectres par seconde. Cependant, dans de nombreux cas, des observations plus rapides sont nécessaires pour produire des données à grain fin. Par exemple, certains chercheurs souhaitent explorer les étapes de certaines réactions chimiques qui se produisent sur des échelles de temps très courtes. Cette dynamique a incité le professeur agrégé Takuro Ideguchi de l'Institute for Photon Science and Technology, à l'Université de Tokyo, et son équipe pour étudier et créer le système de spectroscopie infrarouge le plus rapide à ce jour.
Le nouvel outil se compose de divers composants optiques, notamment des lasers, miroirs, lentilles et détecteurs. Il peut détecter des longueurs d'onde comprises entre 4,4 et 4,9 micromètres (millièmes de millimètre). Crédit :© 2020 Ideguchi et al.
"Nous avons développé le spectromètre infrarouge le plus rapide au monde, qui tourne à 80 millions de spectres par seconde, " dit Ideguchi. " Cette méthode, spectroscopie infrarouge time-stretch, est environ 100 fois plus rapide que la spectroscopie à double peigne, qui avait atteint une limite de vitesse supérieure en raison de problèmes de sensibilité. » Étant donné qu'il y a environ 30 millions de secondes dans une année, cette nouvelle méthode peut réaliser en une seconde ce qu'il y a 50 ans aurait pris plus de deux ans.
La spectroscopie infrarouge à extension temporelle fonctionne en étirant une très courte impulsion de lumière laser transmise par un échantillon. Lorsque l'impulsion transmise est étirée, il devient plus facile pour un détecteur et les circuits électroniques qui l'accompagnent d'analyser avec précision. Un composant clé à grande vitesse qui le rend possible est ce qu'on appelle un détecteur de cascade quantique, développé par l'un des auteurs de l'article, Tatsuo Dougakiuchi de Hamamatsu Photonics.
"La science naturelle est basée sur des observations expérimentales. Par conséquent, les nouvelles techniques de mesure peuvent ouvrir de nouveaux champs scientifiques, ", a déclaré Ideguchi. "Les chercheurs dans de nombreux domaines peuvent s'appuyer sur ce que nous avons fait ici et utiliser notre travail pour améliorer leur propre compréhension et leurs pouvoirs d'observation."
