Pour des signaux à peine plus grands que le bruit dans un système, la mesure est généralement un compromis entre vitesse et précision. Faire la moyenne sur plusieurs mesures réduit l'influence du bruit mais prend (beaucoup) de temps. Cela pourrait changer avec une nouvelle méthode de mesure révolutionnaire, conçue par les chercheurs de l'AMOLF Kevin Peters et Said Rodriguez. Leur idée est basée sur un résonateur optique non linéaire, explique Rodriguez :"Dans ce capteur, une mesure plus rapide produit en fait un signal plus fort." L'élaboration théorique de cette nouvelle méthode de mesure est publiée dans Physical Review Letters aujourd'hui, 27 juin 2022. Pour une exploration expérimentale, des collaborations sont recherchées avec des entreprises cherchant à faire des mesures rapides et précises avec la lumière.

"La physique consiste à prendre des mesures pour recueillir des informations sur un système ou pour réduire l'incertitude sur l'état d'un système. Parfois, la précision est la plus importante - à quel point êtes-vous sûr que quelque chose dans le système a changé ? Dans d'autres cas, la vitesse est la plus importante - à quelle vitesse pouvez-vous collecter des informations ? Dans la plupart des détecteurs, la précision se fait au détriment de la vitesse", déclare Rodriguez, chef du groupe AMOLF. "Considérez quelque chose d'aussi simple que de regarder un tableau :si vous ne voyez le tableau que pendant quelques secondes, vous collecterez beaucoup moins d'informations que lorsque vous le verrez pendant quelques minutes. En d'autres termes :plus nous mesurons longtemps, plus informations que nous recueillons et plus précisément nous connaissons l'état du système (la peinture)."

Bruit

Lors de la mesure de très petits signaux, l'influence du bruit est également importante. "Un détecteur optique typique, basé sur un résonateur ou une cavité, donne un signal lorsque, par exemple, une molécule perturbe le résonateur. Mais ce signal peut être si faible qu'il dépasse à peine le bruit du laser. Le signal ne peut être détecté en faisant la moyenne de plusieurs mesures ou en utilisant un temps de mesure plus long », explique Rodriguez, qui, avec Ph.D. étudiant Kevin Peters, cherche des moyens de réduire l'influence du bruit dans la détection avec des systèmes optiques.

'Point exceptionnel'

Les chercheurs ont trouvé l'inspiration pour leur nouveau concept de mesure unique dans un phénomène physique exotique qui se produit dans les systèmes quantiques ouverts, comme les résonateurs optiques qui mesurent la présence de molécules ou de virus. "De tels systèmes ont des valeurs propres complexes qui coïncident parfois. Dans ce cas, nous parlons d'un" point exceptionnel "et la théorie suggère que les mesures exactement à un tel point devraient être beaucoup plus sensibles", explique Rodriguez. "Cependant, il s'est avéré que si les signaux étaient effectivement améliorés à ces" points exceptionnels ", le bruit l'était également. De plus, déterminer l'emplacement exact du point exceptionnel, auquel mesurer, est une tâche très compliquée et fastidieuse."

Les chercheurs ont réalisé que quelque chose de similaire aux "points exceptionnels" pouvait également être identifié dans les cavités optiques non linéaires (un type de résonateur) avec lesquelles ils travaillent. Rodriguez :"Les cavités non linéaires peuvent avoir une hystérésis optique. Lorsque vous augmentez la puissance du laser, l'intensité lumineuse dans la cavité s'accumule d'une certaine manière. Mais ensuite, lorsque vous diminuez la puissance du laser, l'intensité lumineuse quitte la cavité d'une manière différente. Il en résulte une hystérésis, semblable à l'aimantation de certains matériaux lorsqu'on leur applique un champ magnétique. Nous avons constaté que la différence d'intensité lumineuse entre les points d'ouverture et de fermeture de l'hystérésis est proportionnelle à la racine carrée de la perturbation du résonateur (par exemple causée par une molécule à mesurer). La mesure de ce "signal de différence" est donc très sensible aux petites perturbations. De plus, nous avons montré qu'avec des mesures plus rapides, l'influence du bruit devient plus faible, contrairement à ce qui se passe dans les méthodes de mesure conventionnelles."

Faisabilité pratique

Les chercheurs ont effectué des calculs théoriques pour le capteur proposé, mais ont également réfléchi à la faisabilité pratique. Le réglage de la fréquence de modulation correcte pour les mesures avec le résonateur optique proposé est facilement possible avec l'équipement existant. Par conséquent, Rodriguez aimerait collaborer avec l'industrie pour approfondir l'idée et l'utiliser pour la détection optique. "Cette façon de mesurer est intéressante pour toutes sortes d'applications où des capteurs optiques sont déjà utilisés", dit-il. "Pensez aux capteurs pour la détermination de la position ou du mouvement, pour les mesures chimiques ou pour la détection des nanoparticules. En fait, tout ce que vous éclairez puis mesurez ce qui en sort peut bénéficier de notre approche non linéaire plus sensible." + Explorer plus loin

Utilisation du bruit pour améliorer la détection optique