Lasers à solide ordinaires, tel qu'utilisé dans les pointeurs laser, générer de la lumière dans le domaine visible. Pour de nombreuses applications, cependant, comme la détection de molécules, un rayonnement dans l'infrarouge moyen est nécessaire. De tels lasers infrarouges sont beaucoup plus difficiles à fabriquer, surtout si le rayonnement laser est requis sous forme de rayonnement extrêmement court, pouls intenses.

Pendant longtemps, les scientifiques ont cherché des méthodes simples pour produire de telles impulsions laser infrarouges - à la TU Wien, c'est maintenant chose faite, en coopération avec l'Université Harvard. La nouvelle technologie ne nécessite pas de grandes installations expérimentales; il peut être facilement miniaturisé et est donc particulièrement intéressant pour des applications pratiques. Les nouveaux résultats sont maintenant présentés dans la revue Communication Nature .

Le peigne de fréquence

« Nous générons de la lumière laser dans l'infrarouge moyen avec des lasers à cascade quantique sur mesure fabriqués dans le Nano-Center ultramoderne de TU Wien, " déclare Johannes Hillbrand de l'Institute of Solid State Electronics de la TU de Vienne, premier auteur de l'étude. Alors que dans les lasers à solide ordinaires, le type de lumière émise dépend des atomes du matériau, dans les lasers à cascade quantique, de minuscules structures de l'ordre du nanomètre sont cruciales. En concevant ces structures de manière appropriée, la longueur d'onde de la lumière peut être ajustée avec précision.

"Nos lasers à cascade quantique ne délivrent pas qu'une seule couleur de lumière, mais toute une gamme de fréquences différentes, " dit Ass.Prof. Benedikt Schwarz, qui a dirigé les travaux de recherche dans son projet financé par une subvention ERC. "Ces fréquences sont disposées très régulièrement, toujours avec la même distance entre les deux, comme les dents d'un peigne. Par conséquent, un tel spectre s'appelle un peigne de fréquence."

La lumière est comme un pendule

Cependant, ce ne sont pas seulement les fréquences émises par un tel laser à cascade quantique qui sont décisives, mais aussi la phase avec laquelle les ondes lumineuses respectives oscillent. "Vous pouvez comparer cela à deux pendules reliés par un élastique, " explique Johannes Hillbrand. " Ils peuvent soit se balancer d'avant en arrière, exactement en parallèle, ou opposés l'un à l'autre, de sorte qu'ils se rapprochent ou s'éloignent l'un de l'autre. Et ces deux modes de vibration ont des fréquences légèrement différentes."

C'est assez similaire avec la lumière laser, qui est composé de différentes longueurs d'onde :les ondes lumineuses individuelles du peigne de fréquence peuvent osciller exactement de manière synchronisée, puis elles se superposent de manière optimale et peuvent générer de courtes, impulsions laser intenses. Ou il peut y avoir un décalage entre leurs oscillations, auquel cas aucune impulsion n'est créée, mais la lumière laser avec une intensité presque continue.

Le modulateur de lumière

"Dans les lasers à cascade quantique, il était auparavant difficile d'alterner entre ces deux variantes, " dit Johannes Hillbrand. " Cependant, nous avons intégré un minuscule modulateur dans notre laser à cascade quantique, par lesquels les ondes lumineuses passent encore et encore." Une tension électrique alternative est appliquée à ce modulateur. En fonction de la fréquence et de l'intensité de la tension, différentes oscillations lumineuses peuvent être excitées dans le laser.

"Si vous pilotez ce modulateur exactement à la bonne fréquence, vous pouvez obtenir que les différentes fréquences de notre peigne de fréquence oscillent toutes exactement en synchronisation, " explique Benedikt Schwarz. " Cela permet de combiner ces fréquences en bref, impulsions laser intenses, plus de 12 milliards de fois par seconde."

Ce niveau de contrôle sur les impulsions laser infrarouges courtes n'était pas possible auparavant avec les lasers à semi-conducteurs. Des types de lumière similaires ne pourraient au mieux être générés qu'en utilisant des méthodes très coûteuses et entraînant des pertes. « Notre technologie a l'avantage décisif de pouvoir être miniaturisée, " souligne Benedikt Schwarz. " On pourrait l'utiliser pour construire des instruments de mesure compacts qui utilisent ces faisceaux laser spéciaux pour rechercher des molécules très spécifiques dans un échantillon de gaz, par exemple. Grâce à la forte intensité lumineuse des impulsions laser, des mesures qui nécessitent deux photons en même temps sont également possibles.