Une équipe internationale de physiciens laser de l'équipe attoworld du LMU et de l'Institut Max Planck d'optique quantique a obtenu un contrôle sans précédent sur les impulsions lumineuses dans la gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge moyen.

Les impulsions lumineuses infrarouges ultracourtes sont la clé d'un large éventail d'applications technologiques. Le champ de lumière infrarouge oscillant peut exciter les molécules d'un échantillon à vibrer à des fréquences spécifiques ou entraîner des courants électriques ultrarapides dans les semi-conducteurs. Toute personne souhaitant exploiter la forme d'onde oscillante des impulsions lumineuses ultracourtes, pour piloter des processus électro-optiques de pointe par exemple, est confrontée à la même question :comment contrôler au mieux la forme d'onde elle-même. La génération d'impulsions ultracourtes avec des formes d'onde ajustables a été démontrée dans différentes gammes de longueurs d'onde comme l'UV-visible et le proche infrarouge. Les physiciens de l'équipe attoworld du LMU, de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) et du Centre hongrois d'empreintes moléculaires (CMF) ont maintenant réussi à générer des impulsions ultracourtes dans l'infrarouge moyen et à contrôler avec précision leurs formes d'onde de champ électrique. Avec ce manipulateur de forme d'onde infrarouge à portée de main, de nouvelles possibilités de contrôle optique pour les applications biomédicales et l'électronique quantique sont à portée de main.

La base de la nouvelle source infrarouge moyen est un système laser stabilisé qui génère des impulsions lumineuses avec une forme d'onde définie avec précision à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge. Les impulsions consistent en une seule oscillation de l'onde lumineuse et ne durent donc que quelques femtosecondes. Lorsque ces impulsions sont envoyées dans un cristal non linéaire approprié, la génération d'impulsions infrarouges à grande longueur d'onde peut être induite en tirant parti de processus complexes de mélange de fréquences. De cette façon, l'équipe a réussi à produire des impulsions lumineuses avec une couverture spectrale exceptionnellement large de plus de trois octaves optiques, de 1 à 12 micromètres. Les chercheurs ont non seulement pu comprendre et simuler la physique sous-jacente des processus de mélange, mais ont également développé une nouvelle approche pour contrôler avec précision les oscillations de la lumière infrarouge moyenne générée via le réglage des paramètres d'entrée laser.

Les formes d'onde réglables qui en résultent peuvent, par exemple, déclencher sélectivement certains processus électroniques dans les solides, ce qui pourrait permettre d'atteindre des vitesses de traitement des signaux électroniques beaucoup plus élevées à l'avenir. "Sur cette base, on pourrait envisager le développement de l'électronique contrôlée par la lumière", explique Philipp Steinleitner, l'un des trois auteurs principaux de l'étude. "Si les appareils opto-électroniques devaient fonctionner aux fréquences de la lumière générée, vous pourriez accélérer l'électronique d'aujourd'hui d'au moins un facteur de 1000."

Les physiciens d'attoworld accordent une attention particulière à l'utilisation de la nouvelle technologie de la lumière pour la spectroscopie des molécules. Lorsque la lumière infrarouge moyenne traverse un liquide échantillon, par exemple du sang humain, les molécules de l'échantillon commencent à osciller et émettent à leur tour des ondes lumineuses caractéristiques. La détection de la réponse moléculaire fournit une empreinte unique qui dépend de la composition exacte de l'échantillon. "Grâce à notre technologie laser, nous avons considérablement élargi la gamme de longueurs d'onde contrôlables dans l'infrarouge", explique Nathalie Nagl, également première auteure de l'étude. "Les longueurs d'onde supplémentaires nous permettent d'analyser encore plus précisément la composition d'un mélange de molécules", poursuit-elle.

Au sein du groupe attoworld, des collègues de l'équipe Broadband Infrared Diagnostics (BIRD) dirigée par Mihaela Zigman et de l'équipe CMF Research dirigée par Alexander Weigel s'intéressent particulièrement à la mesure précise des empreintes moléculaires infrarouges d'échantillons de sang humain. La vision est d'identifier les signatures caractéristiques qui permettent de diagnostiquer des maladies comme le cancer. Une tumeur en développement, par exemple, entraîne de petits changements très complexes dans la composition moléculaire du sang. L'objectif est de détecter ces changements et de permettre le diagnostic précoce des maladies en mesurant l'empreinte infrarouge d'une simple goutte de sang humain.

« À l'avenir, notre technologie laser permettra à nos collègues de détecter des changements auparavant indétectables dans des biomolécules spécifiques telles que les protéines ou les lipides. Elle augmente ainsi la fiabilité des futurs diagnostics médicaux utilisant la technologie laser infrarouge », déclare Maciej Kowalczyk, également premier auteur de la étudier.

La recherche a été publiée dans Nature Photonics . + Explorer plus loin

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