Les chercheurs rapportent le premier spectromètre à double peigne avec une vitesse d'acquisition de 10 gigahertz. La configuration optique qu'ils ont utilisée est illustrée ici. Crédit :David R. Carlson, National Institute of Standards and Technology et l'Université du Colorado à Boulder
Les chercheurs ont développé un spectromètre avancé qui peut acquérir des données à une vitesse exceptionnellement élevée. Le nouveau spectromètre pourrait être utile pour une variété d'applications, y compris la télédétection, imagerie biologique en temps réel et vision artificielle.
Les spectromètres mesurent la couleur de la lumière absorbée ou émise par une substance. Cependant, l'utilisation de tels systèmes pour des mesures complexes et détaillées nécessite généralement de longs temps d'acquisition de données.
"Notre nouveau système peut mesurer un spectre en quelques microsecondes, " a déclaré Scott B. Papp, chef de l'équipe de recherche du National Institute of Standards and Technology et de l'Université du Colorado, Rocher. "Cela signifie qu'il pourrait être utilisé pour des études chimiques dans l'environnement dynamique des centrales électriques ou des moteurs à réaction, pour le contrôle qualité des produits pharmaceutiques ou semi-conducteurs passant sur une ligne de production, ou pour l'imagerie vidéo d'échantillons biologiques."
Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , l'auteur principal David R. Carlson et ses collègues Daniel D. Hickstein et Papp rapportent le premier spectromètre à double peigne avec un taux de répétition des impulsions de 10 gigahertz. Ils le démontrent en réalisant des expériences de spectroscopie sur des gaz sous pression et des plaquettes semi-conductrices.
"Les peignes de fréquence sont déjà connus pour être utiles pour la spectroscopie, " a déclaré Carlson. "Notre recherche est axée sur la construction de nouvelles, peignes de fréquence à grande vitesse qui peuvent faire un spectromètre qui fonctionne des centaines de fois plus vite que les technologies actuelles."
Obtenir des données plus rapidement
La spectroscopie à double peigne utilise deux sources optiques, appelés peignes à fréquence optique qui émettent un spectre de couleurs - ou fréquences - parfaitement espacées comme les dents d'un peigne. Les peignes de fréquence sont utiles pour la spectroscopie car ils donnent accès à une large gamme de couleurs qui peuvent être utilisées pour distinguer diverses substances.
Pour créer un système de spectroscopie à double peigne avec une acquisition extrêmement rapide et une large gamme de couleurs, les chercheurs ont réuni des techniques de plusieurs disciplines différentes, dont la nanofabrication, électronique à micro-ondes, spectroscopie et microscopie.
Les guides d'ondes non linéaires nanophotoniques à puce étaient un élément clé de ce nouveau système car ils permettaient une conversion très efficace de la lumière d'une longueur d'onde à une autre pour créer le supercontinuum. Un gros plan de la puce de guide d'ondes non linéaire est montré ici. Crédit :David R. Carlson, National Institute of Standards and Technology et l'Université du Colorado à Boulder
Les peignes de fréquence du nouveau système utilisent un modulateur optique entraîné par un signal électronique pour sculpter un faisceau laser continu en une séquence d'impulsions très courtes. Ces impulsions lumineuses traversent des guides d'ondes nanophotoniques non linéaires sur une puce électronique, qui génère plusieurs couleurs de lumière simultanément. Cette sortie multicolore, connu sous le nom de supercontinuum, peut ensuite être utilisé pour effectuer des mesures précises de spectroscopie de solides, liquides et gaz.
Les guides d'ondes non linéaires nanophotoniques à puce étaient un élément clé de ce nouveau système. Ces canaux confinent la lumière dans des structures longues d'un centimètre mais larges de quelques nanomètres seulement. Leur petite taille et leurs faibles pertes de lumière combinées aux propriétés du matériau dont ils sont faits leur permettent de convertir la lumière d'une longueur d'onde à une autre très efficacement pour créer le supercontinuum.
"La source de peigne de fréquence elle-même est également unique par rapport à la plupart des autres systèmes à double peigne car elle est générée en découpant un faisceau laser continu en impulsions avec un modulateur électro-optique, " a déclaré Carlson. " Cela signifie que la fiabilité et l'accordabilité du laser peuvent être exceptionnellement élevées dans une large gamme de conditions de fonctionnement, une caractéristique importante lorsque l'on envisage de futures applications en dehors d'un environnement de laboratoire. »
Analyse de gaz et de solides
Pour démontrer la polyvalence du nouveau spectromètre à double peigne, les chercheurs l'ont utilisé pour effectuer une spectroscopie d'absorption linéaire sur des gaz de pression différente. Ils l'ont également utilisé dans une configuration légèrement différente pour effectuer la technique analytique avancée connue sous le nom de spectroscopie Raman non linéaire sur des matériaux semi-conducteurs. Spectroscopie Raman non linéaire, qui utilise des impulsions lumineuses pour caractériser les vibrations des molécules dans un échantillon, n'a pas été réalisée auparavant à l'aide d'un peigne de fréquence électro-optique.
Les vitesses d'acquisition de données élevées qui sont possibles avec les peignes électro-optiques fonctionnant à des fréquences d'impulsions en gigahertz sont idéales pour effectuer des mesures de spectroscopie d'événements rapides et non répétables.
"Il peut être possible d'analyser et de capturer les signatures chimiques lors d'une explosion ou d'un événement de combustion, " dit Carlson. " De même, en imagerie biologique, la capacité de créer des images en temps réel de tissus vivants sans nécessiter de marquage chimique serait extrêmement précieuse pour les chercheurs en biologie. »
Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer les performances du système pour le rendre pratique pour des applications telles que l'imagerie biologique en temps réel et pour simplifier et réduire la configuration expérimentale afin qu'elle puisse être utilisée en dehors du laboratoire.
