Des microscopes au transfert de données via des fibres optiques jusqu'aux technologies quantiques modernes, la lumière joue un rôle important dans la science et l'industrie. En particulier, les méthodes pour changer la couleur - et donc la fréquence et la longueur d'onde - de la lumière sont d'une grande importance dans les applications modernes. Ces méthodes nécessitent l'utilisation de cristaux non linéaires. Dans de tels cristaux, deux photons d'une fréquence particulière peuvent, par exemple, être transformé en un photon ayant deux fois cette fréquence - disons, deux rouges en un seul bleu.

Pour que ça marche, cependant, la lumière doit généralement frapper le cristal dans une direction spécifique et avec une polarisation spécifique. Ce soi-disant accord de phase limite souvent sévèrement les applications pratiques. Une équipe de chercheurs dirigée par la professeure de l'ETH Rachel Grange à l'Institute for Quantum Electronics, avec le groupe de Lucio Isa au Département des Matériaux, ont maintenant développé une méthode par laquelle un doublement de fréquence efficace peut être obtenu sans un tel réglage fin, et qui présente également d'autres avantages par rapport aux méthodes conventionnelles.

Des approches apparemment inconciliables

La recette des chercheurs peut se résumer grossièrement ainsi :plutôt petite que grande, et un gâchis vaut mieux que l'ordre. Cela semble mystérieux, mais la tâche que l'équipe de Grange s'était fixée était une énigme tout aussi importante :"Pour un doublement de fréquence meilleur et plus largement applicable, nous voulions combiner deux approches qui ne s'emboîtent pas vraiment, " dit Romolo Savo, qui a mené le projet en post-doctorat dans le cadre d'une bourse Marie-Skłodowska-Curie.

Dans la première approche, au lieu d'un seul grand cristal, on utilise un assemblage de lots de mini-cristaux dont les axes cristallins individuels pointent dans des directions aléatoires. De cette façon, il n'est plus nécessaire de contrôler strictement les directions des faisceaux lumineux entrants. Parmi les nombreux mini-cristaux, il y en aura qui sont orientés favorablement et d'autres qui sont orientés défavorablement, mais dans l'ensemble, ils produiront toujours une quantité importante de lumière à fréquence doublée. "Cela semble contre-intuitif, " Savo admet, « et certains de nos collègues étaient vraiment intrigués par l'idée d'utiliser le désordre de cette manière, mais ça marche ! »

La seconde approche est basée sur l'action de renforcement des résonances. Si l'assemblage des mini-cristaux est sphérique, par exemple, avec un diamètre à peu près égal à la longueur d'onde de la lumière, l'intensité à l'intérieur de la sphère est multipliée par la réflexion répétée des ondes lumineuses des parois de la sphère, et donc aussi le rendement de la lumière doublée en fréquence. Par conséquent, pour tirer le meilleur parti des deux effets en même temps, les chercheurs ont voulu mouler une poudre cristalline désordonnée en sphères micrométriques afin d'exploiter l'amélioration de la résonance de la lumière. Les cristaux individuels de titanate de baryum qu'ils avaient l'intention d'utiliser à cette fin devaient être très petits, seulement environ 50 nanomètres, de sorte qu'ils étaient suffisamment transparents pour permettre à la lumière de les traverser plusieurs fois et ainsi créer des résonances dans les microsphères.

Un conseil pendant la pause café

"Donc, nous avons eu cette super idée, mais aucune idée de comment transformer les nombreux nanocristaux minuscules en microsphères parfaites, " dit Savo. " Alors, un jour, nous avons rencontré Lucio Isa pendant la pause-café et lui avons parlé de notre problème - et il a eu une idée pour nous là-bas." La suggestion d'Isa était de dissoudre la poudre de nanocristal dans de l'eau, mélanger la solution avec de l'huile, et enfin secouer vigoureusement le tout, comme on ferait avec une vinaigrette à base de vinaigre et d'huile. À l'intérieur de l'émulsion créée par ce processus, de minuscules bulles de la solution de cristal d'eau se formeront alors, à partir de laquelle l'eau s'évapore progressivement à travers l'huile. À la fin, minuscule, il reste des sphères parfaitement formées de nanocristaux désordonnés, c'est exactement ce que recherchaient Grange et ses collaborateurs. « À partir de ce conseil, la collaboration avec le groupe d'Isa a commencé, " dit Grange :" D'ailleurs, de telles collaborations spontanées, qui n'ont pas été planifiés à l'avance, sont souvent les plus fructueuses. Bien sûr, nous avons tout de suite essayé la recette d'Isa."

Polyvalence et économies de matière

Et la recette a fonctionné, encore mieux que ce à quoi on pourrait s'attendre. "Le doublement de fréquence avec les minuscules sphères faites de nanocristaux désordonnés fonctionne indépendamment de la direction de la lumière entrante ainsi que sur une large gamme de fréquences. Cela le rend beaucoup plus polyvalent que le doublement de fréquence avec des cristaux conventionnels, " explique Savo. En plus de cela, les chercheurs ont obtenu le même rendement de lumière doublée en fréquence en utilisant 70 % de matériau en moins. Contrairement aux cristaux ordinaires, pour laquelle le rendement lumineux cesse de croître au-delà d'une certaine taille, elle a continué à augmenter avec le volume des microsphères.

Cristaux laser de haute qualité à partir de poudre

Grange et ses collègues veulent maintenant améliorer encore leur méthode, par exemple en ajoutant une entretoise entre les microsphères et la lame de verre sur laquelle elles reposent. Cela devrait minimiser les pertes de lumière. Les chercheurs ont également commencé à réfléchir à des applications possibles. La perspective de produire des cristaux non linéaires de haute performance à partir d'une poudre de nanocristal simple et peu coûteuse est intéressante pour les technologies laser en général. Aussi, il est possible d'étaler les microsphères sur de grandes surfaces. Cela pourrait conduire à la production d'un nouveau type d'affichage qui convertit directement les images dans le domaine infrarouge en images visibles par doublage de fréquence. De tels écrans pourraient ensuite être utilisés dans des caméras pour des applications de sécurité et des sciences de la vie.