Les scientifiques ont découvert un moyen de convertir les lasers fluctuants en faisceaux remarquablement stables qui défient la physique classique, ouvrant de nouvelles portes pour les technologies photoniques qui s'appuient à la fois sur une puissance élevée et une haute précision.
Les lasers sont des outils essentiels dans la science, l'industrie et la médecine, mais l'augmentation de leur pouvoir entraîne souvent un «bruit» – des fluctuations intensiques intensiques qui perturbent les applications nécessitant une lumière cohérente et stable.
Les chercheurs dirigés par Cornell et le Massachusetts Institute of Technology ont démontré à quel point les lasers bruyants et amplifiés peuvent être transformés en poutres ultra-stables grâce à l'utilisation intelligente de fibres et de filtres optiques. La technique était détaillée dans Photonique de la nature.
« Ce qui était super surprenant, c'est que le bruit est si faible qu'il n'y a pas de faisceau laser classique qui a ces mêmes propriétés », a déclaré Nicholas Rivera, professeur adjoint de physique appliquée et d'ingénierie à Cornell Engineering, qui a co-a co-a dirigé l'étude avec Shiekh Uddin, associé postdoctoral au MIT. « C'est dans un état quantique qui n'a pas d'analogue classique. »
Une telle lumière quantique est généralement produite à l'aide de lasers non amplifiés et basse puissance dans des paramètres contrôlés. La nouvelle recherche montre, pour la première fois, que la lumière amplifiée avec un bruit très élevé peut être transformée en un état de lumière « incontournable d'intensité », dans lequel les fluctuations du nombre de photons sont réduites en dessous d'une limite fondamentale imposée par la mécanique quantique.
La clé de la découverte réside dans un phénomène que les chercheurs appellent des «corrélations quantiques immunitaires». Pour contrer l'amplification du bruit, l'équipe a passé des impulsions laser à travers une fibre optique non linéaire, un matériau dans lequel les ondes lumineuses interagissent et se mélangent de manière complexe. L'un de ces processus, appelé mélange à quatre ondes, mélange l'énergie entre différentes couleurs de lumière, établissant des corrélations entre elles.
Les chercheurs ont ensuite utilisé un filtre spectral programmable pour isoler les combinaisons les plus stables de ces fréquences. Certaines des combinaisons filtrées ont montré des niveaux de bruit 30 fois inférieurs à la poutre d'origine, tandis que la lumière filtrée a conservé des intensités de pic élevées allant jusqu'à 0,1 térawatts par centimètre carré.
Rivera a déclaré que l'idée du projet provenait d'un besoin pratique dans son propre laboratoire: générer une lumière quantique sans acheter un système coûteux et à faible bruit.
« Ce que cela signifie, c'est maintenant qu'il y a tellement plus de sources laser que vous pouvez utiliser pour générer une lumière quantique », a déclaré Rivera. « Les sources amplifiées sont super courantes et ils sont le moyen le plus simple et le moins cher de construire un laser de haute puissance. »
Pour expliquer le comportement qu'ils ont observé, les chercheurs ont développé un nouveau modèle qui extrait les prédictions du bruit quantique directement à partir de simulations classiques de la dynamique du laser et a permis aux chercheurs de comprendre comment contourner le bruit dans leur système laser. Le modèle donne à d'autres chercheurs une méthode pour appliquer la technique à leurs propres systèmes laser, a déclaré Rivera.
« Ce qui me passionne le plus, c'est de faire évoluer. Nous l'avons démontré à des intensités modestement élevées, mais les lasers deviennent aujourd'hui des ordres de grandeur », a-t-il déclaré. Rivera prévoit d'appliquer la technique en combinaison avec d'autres méthodes de laboratoire conçues pour produire des lasers ultra-puissants.
La recherche pourrait éventuellement s'étendre au-delà des expériences de laboratoire, comme pour les systèmes de communication tels que les câbles de fibre optique intermédiaire qui utilisent la technique d'amplification pour préserver la qualité du signal.
« Commercialiment, c'est une perspective extrêmement excitante », a déclaré Rivera.
Les co-auteurs comprennent des chercheurs de l'Université de Boston, de l'Université Harvard, de l'Université de Stanford, de l'Institut Technion-Israel of Technology et de l'Université de Floride centrale.
