Les chercheurs de Graphene Flagship ont développé un laser à fibre optique qui émet des impulsions avec des durées équivalentes à quelques longueurs d'onde de la lumière utilisée. Ce dispositif le plus rapide jamais conçu à base de graphène sera idéal pour une utilisation en spectroscopie ultrarapide, et dans les lasers chirurgicaux qui évitent les dommages causés par la chaleur aux tissus vivants.

Ultrarapide et ultracourt

Les applications photoniques avancées telles que la spectroscopie à grande vitesse nécessitent des impulsions ultracourtes afin de capturer les phénomènes physiques transitoires dans les matériaux étudiés. En pratique, cela signifie des impulsions laser dans la plage femtoseconde (10-15s). Un exemple d'une telle application est la spectroscopie pompe-sonde des processus de relaxation photochimique.

"Lorsque la lumière est conçue pour voyager en impulsions ultracourtes, il est important de comprendre sa nature ondulatoire, " dit Daniel Popa, chef du groupe photonique au Cambridge Graphene Centre, et leader de son projet de recherche sur le laser à base de graphène. "Pour que la lumière se propage comme une onde mécanique sur une corde tendue, l'impulsion la plus courte possible est définie par une oscillation d'onde unique."

La résolution temporelle est limitée par la longueur de l'impulsion laser utilisée. Plus le pouls est court, plus la résolution spectroscopique est élevée, avec la résolution la plus élevée possible définie par la longueur de cycle de la fréquence lumineuse particulière utilisée. Dans les régimes visible et proche infrarouge, dans lequel fonctionnent la plupart des lasers ultrarapides, la durée d'impulsion ultime est comprise entre 2 et 5 femtosecondes. Des impulsions plus courtes nécessitent des longueurs d'onde plus courtes.

Mis à part les limites théoriques, des impulsions aussi courtes que deux cycles peuvent être générées à partir de cavités laser en utilisant une technique connue sous le nom de verrouillage de mode passif. Avec des lasers titane-saphir, courant dans les laboratoires de photonique du monde entier, des impulsions de 5 femtosecondes peuvent être produites à une longueur d'onde de 800 nanomètres, correspondant à moins de deux cycles. Ces impulsions ne sont pas accordables, toutefois. Des impulsions à quelques cycles accordables peuvent être obtenues en exploitant des effets non linéaires dans des amplificateurs paramétriques optiques, mais les dispositions pratiques ont tendance à être complexes et coûteuses.

Les lasers à fibre sont des plates-formes attrayantes pour la génération d'impulsions ultracourtes, en raison de leur simplicité, conceptions compactes et économiques, leur dissipation thermique efficace, et une opération sans alignement qui ne nécessite pas de configurations optiques encombrantes. Avec des oscillateurs à fibre, des impulsions ultracourtes peuvent être générées par verrouillage de mode passif, qui nécessite un composant non linéaire appelé absorbeur saturable. Le graphène a les propriétés physiques idéales pour fabriquer un tel absorbant saturable.

Un laser tout fibre à base de graphène pour des impulsions lumineuses à quelques cycles

Les lasers à verrouillage de mode à base de graphène ont déjà été démontrés, mais c'est l'utilisation de ce nouveau matériau bidimensionnel dans un compact, configuration tout fibre qui marque le travail de Popa et de ses collègues. Leur avancée est décrite dans un article publié récemment dans la revue Lettres de physique appliquée , dont le premier auteur est le doctorant David Purdie.

Avec des lasers à fibre, les impulsions femtosecondes sont généralement générées par verrouillage de mode soliton. Un soliton est une onde solitaire auto-renforçante qui conserve sa forme sans distorsion lorsqu'elle se déplace à vitesse constante le long d'un guide d'ondes tel qu'une fibre optique. Les solitons sont le résultat d'effets dispersifs et non linéaires qui s'annulent dans le milieu du guide d'ondes, permettant ainsi à une enveloppe d'impulsion stable de se propager.

Les formats tout fibre sont préférables en termes de coût, compacité et robustesse, et la stratégie ici est d'utiliser une cavité basée sur des segments alternés de fibres à dispersion positive et négative qui conduisent à un élargissement et une compression périodiques des impulsions.

L'essentiel est d'extraire l'impulsion d'une telle cavité lorsque sa durée est minimale, et la puissance crête donc au maximum. En raison de la puissance crête élevée de l'impulsion extraite, de nouvelles composantes de fréquence peuvent être générées par des effets optiques non linéaires dans une longueur externe de fibre, et ceux-ci sont essentiels lorsqu'il s'agit de réduire davantage la durée d'impulsion. Ceci est basé sur la relation mathématique des ondes entre les domaines fréquentiel et temporel connue sous le nom de transformée de Fourier. Pour réaliser cette transformation sous forme physique, les chercheurs ont conçu une ligne à retard dispersive qui replie les composants de fréquence nouvellement créés en une seule impulsion.

La configuration des chercheurs de Graphene Flagship était basée uniquement sur des équipements de télécommunications standard, avec un absorbant saturable à base d'un composite de graphène et d'alcool polyvinylique (PVA) fabriqué par mise en solution à faible coût, avec les flocons de graphène exfoliés du graphite en vrac par agitation ultrasonique de la solution. L'évaporation laisse derrière elle un composite graphène-PVA de 50 microns d'épaisseur, qui est ensuite pris en sandwich entre des connecteurs de fibre.

Avec cette configuration, Purdie et ses collègues ont pu générer 29 impulsions femtosecondes, ce qui correspond à moins de six cycles à une longueur d'onde de 1,5 microns.

La compensation des effets non linéaires et dispersifs d'ordre supérieur devrait conduire à une durée d'impulsion plus courte, et l'utilisation d'une diode de puissance plus élevée, ou une configuration à double pompe, pourrait entraîner des impulsions à bande passante plus élevée ainsi qu'une puissance de sortie accrue. Finalement, l'ajout de fibres à cristaux photoniques pourrait en principe permettre la génération d'impulsions laser de même courte durée à d'autres longueurs d'onde.

"Ce qui est vraiment remarquable dans ce projet, c'est la facilité de combiner le graphène avec des fibres optiques du commerce dans un format très compact, " dit Popa. " De cette façon, nous pouvons générer des impulsions lumineuses qui ne durent que quelques cycles, ou quelques millionièmes de milliardième de seconde."