Une équipe de recherche a développé une nouvelle technique qui permet un contrôle spatio-temporel précis des ondes térahertz lorsqu'elles traversent des matériaux désordonnés.
La méthode, publiée dans ACS Photonics , pourrait conduire à des progrès dans les domaines de l’imagerie médicale, des communications et d’autres applications reposant sur des impulsions térahertz à large bande. La recherche a été réalisée dans le cadre du projet ERC de l'Union européenne TIMING, et l'équipe comprenait des membres du centre de recherche en photonique émergente de Loughborough en collaboration avec le professeur Jacopo Bertolotti de l'université d'Exeter.
Dans le domaine de l’optique, la vision traditionnelle considère depuis longtemps les systèmes désordonnés – comme regarder à travers du verre dépoli – comme une limite à la clarté. Tout comme le brouillard, une distribution désordonnée de particules d’eau, disperse la lumière et brouille notre vision, ces matériaux diffusent la lumière de manière imprévisible. Mais cette nouvelle étude montre que nous pouvons exploiter cette dispersion à notre avantage.
Une approche plus moderne qui décrit ces objets comme des « médias complexes » révèle un récit étonnamment différent. La clé réside dans la compréhension que même si les informations sont effectivement brouillées au sein de ces systèmes, elles ne sont pas irrémédiablement perdues et que ce brouillage peut être utilisé pour manipuler la lumière elle-même.
Les ondes térahertz sont une forme de rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Ils représentent le pont entre l’électronique et la photonique, ce qui les rend remarquablement difficiles à générer, à détecter et à manipuler. Pourtant, ils sont très recherchés et uniques, car les ondes térahertz peuvent pénétrer dans des matériaux tels que les vêtements, le papier et le plastique, offrant des images claires sans les dommages ionisants des rayons X, et peuvent transporter des liaisons de communication exceptionnellement performantes.
Cependant, les ondes térahertz se déforment à mesure qu’elles se propagent à travers des structures complexes comme certains tissus biologiques ou structures technologiques. En fait, l'imagerie via des supports complexes est un défi, mais aussi une opportunité.
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un type spécial de laser ultrarapide, connu pour ses impulsions extrêmement courtes, pour créer des modèles d'impulsions térahertz (d'une durée de quelques picosecondes).
Alors que ces motifs interagissaient avec un matériau de diffusion complexe, les chercheurs ont manipulé l'éclairage du laser en employant un algorithme génétique spécialement conçu qui imite le processus d'évolution naturelle pour résoudre des problèmes complexes.
En conséquence, ils ont pris le contrôle de la façon dont les ondes térahertz se répartissent dans l’espace et évoluent dans le temps après la matière. D'une certaine manière, ce niveau de contrôle recompose des morceaux de l'onde brouillés par la diffusion, sous une nouvelle forme avec les motifs et les couleurs souhaités.
"Il est remarquable que les milieux complexes fonctionnent comme des dispositifs sophistiqués qui manipulent les ondes térahertz d'une manière hors de portée dans l'art, et pourtant ils constituent en réalité un assemblage aléatoire de particules très accessible", a déclaré le Dr Vittorio Cecconi, chercheur principal de l'étude. Il poursuit :"Cela ouvre de nouvelles possibilités pour l'exploitation des ondes térahertz dans les applications d'imagerie et de détection où la diffusion est un problème."
Bien que cette approche ait des ramifications multidisciplinaires, en térahertz, elle est rendue possible par la disponibilité de méthodes permettant de mesurer l'évolution du champ électrique térahertz dans le temps, d'une manière qui ressemble au fonctionnement d'un oscilloscope. Pourtant, en photonique, cela est très rare car le champ électrique (la quantité qui oscille dans les ondes électromagnétiques) n'est généralement pas mesurable pour la lumière, où la quantité couramment accessible via un photodétecteur est l'intensité.
Cette différence spécifique permet à une méthodologie connue sous le nom de conception d'imagerie fantôme non linéaire d'obtenir des informations spatio-temporelles sur les ondes et la façon dont elles interagissent avec les matériaux optiques.
"La synergie entre l'imagerie fantôme non linéaire et les médias complexes a permis cette recherche et ouvre la voie à plusieurs applications avancées potentielles, comme l'informatique térahertz", a déclaré le Dr Cecconi.
Le professeur Peccianti, directeur du centre et chercheur principal du projet ERC TIMING, a souligné la mission du centre en déclarant :« Au centre de recherche en photonique émergente, notre philosophie principale est d'explorer l'intersection entre la photonique ultrarapide et la complexité. Ici, la lumière transcende son rôle traditionnel de simple éclairage, évoluant vers un outil puissant capable de capturer et de traiter instantanément une grande quantité d'informations, marquant ainsi la voie d'une nouvelle innovation technologique. "
Plus d'informations : Vittorio Cecconi et al, Synthèse d'ondes spatio-temporelles térahertz dans des systèmes aléatoires, ACS Photonics (2024). DOI :10.1021/acsphotonics.3c01671
Fourni par l'Université de Loughborough
