Un spectromètre à double peigne à comptage de photons. Deux faisceaux laser femtoseconde verrouillés en mode de fréquences de répétition d'impulsion légèrement différentes sont superposés avec un diviseur de faisceau. Une sortie est fortement atténuée avant de traverser un échantillon et d'atteindre un détecteur de comptage de photons. A des niveaux de puissance un milliard de fois plus faibles que ceux habituellement employés, les statistiques des photons détectés portent l'information sur l'échantillon avec son spectre optique éventuellement très complexe. Crédit :Institut Max Planck d'optique quantique
Nos yeux ne sont sensibles qu'à trois bandes de couleurs spectrales (rouge, vert, bleu), et les gens ne peuvent plus distinguer les couleurs s'il fait très sombre. Les spectroscopistes peuvent identifier beaucoup plus de couleurs par les fréquences des ondes lumineuses et peuvent distinguer les atomes et les molécules par leurs empreintes spectrales. Dans une expérience de démonstration de principe, Nathalie Picqué et Theodor Hänsch du Max-Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) et de la Ludwig-Maximilian University (LMU) ont désormais enregistré de larges spectres avec près de 100, 000 couleurs dans l'obscurité presque totale. L'expérience utilise deux lasers femtosecondes à mode verrouillé et un détecteur de comptage de photons unique. Les résultats viennent d'être publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
Un laser femtoseconde à mode verrouillé émet des centaines de milliers de raies spectrales nettes qui sont régulièrement espacées en fréquence. De tels peignes de fréquence laser sont maintenant largement utilisés pour compter les oscillations d'une onde laser et ils servent de mécanisme d'horlogerie dans les horloges atomiques optiques. La technique du peigne de fréquence a été mise en évidence lorsque le prix Nobel de physique 2005 a été décerné à Theodor Hänsch et John L. Hall.
Au cours des 15 dernières années, Nathalie Picqué du MPQ a exploité les peignes de fréquence pour de nouvelles approches de la spectroscopie optique à large bande. Dans sa technique de spectroscopie à double peigne, toutes les lignes de peigne d'un laser interrogent un échantillon simultanément sur une large gamme spectrale, et les lignes de peigne d'un deuxième laser avec un espacement légèrement différent interfèrent sur un photodétecteur rapide pour la lecture. Paires de lignes de peigne, un de chaque laser, produire des notes de battement radiofréquence dans le signal du détecteur. Ces signaux radiofréquences peuvent être numérisés et traités par un ordinateur. Toute structure spectrale optique dans l'échantillon réapparaît sous la forme d'un motif correspondant dans le peigne de signaux radiofréquence. Les signaux optiques sont effectivement ralentis d'un facteur important égal à la fréquence de répétition du laser divisée par la différence des fréquences de répétition. Les avantages uniques de ce puissant outil spectroscopique incluent une résolution spectrale pratiquement illimitée, étalonnage possible avec une horloge atomique, et acquisition hautement cohérente de spectres complexes sans avoir besoin de scanner ou de pièces mobiles mécaniquement.
Picqué et Hänsch ont maintenant démontré que la spectroscopie à double peigne peut être étendue à des intensités lumineuses extrêmement faibles dans le régime de comptage de photons. Les signaux parasites peuvent être observés dans les statistiques des clics du détecteur de comptage de photons, même si la puissance est si faible qu'un seul clic est enregistré sur le temps de 2000 impulsions laser, en moyenne. Dans de telles circonstances, il est extrêmement improbable que deux photons, un de chaque laser, sont présents dans le chemin de détection en même temps. L'expérience ne peut pas être expliquée intuitivement si l'on suppose qu'un photon existe avant la détection.
La capacité de travailler à des intensités lumineuses un milliard de fois inférieures à celles habituellement utilisées ouvre de nouvelles perspectives intrigantes pour la spectroscopie à double peigne. Nathalie Picqué dit, « La méthode peut maintenant être étendue aux régions spectrales où les sources de peigne de fréquence les plus faibles sont disponibles, comme l'extrême ultraviolet ou la région des rayons X mous. Les signaux spectroscopiques peuvent être acquis par des matériaux hautement atténuants ou par rétrodiffusion sur de grandes distances. Et il devient possible d'extraire des spectres à double peigne à partir d'échantillons nanoscopiques jusqu'à des atomes ou molécules uniques, qui ne produisent que de faibles signaux de fluorescence."
Theodor Hänsch se souvient du moment au laboratoire où une figure d'interférence est apparue pour la première fois dans les statistiques des clics du détecteur :« J'étais ravi. Même après avoir travaillé dans la spectroscopie laser pendant plus de 50 ans, il me semblait assez contre-intuitif que des photons détectés isolés puissent être "conscients" des deux lasers avec leur grand nombre de lignes de peigne et du spectre complexe d'un échantillon."
