Le nouveau laser s'appuie contre un bloc de titane-saphir. Pour l'échelle, les deux sont posés sur un quart. Crédit : Yang et al., Nature
En un seul bond, de la table à la micro-échelle, les ingénieurs de l'Université de Stanford ont produit le premier laser titane-saphir pratique au monde sur une puce.
Des chercheurs ont mis au point un laser titane-saphir à l'échelle d'une puce, nettement plus petit et moins cher que les modèles traditionnels, ce qui le rend accessible à des applications plus vastes dans l'optique quantique, les neurosciences et d'autres domaines. Cette nouvelle technologie devrait permettre aux laboratoires d'avoir des centaines de ces lasers puissants sur une seule puce, alimentés par un simple pointeur laser vert.
En matière de lasers, ceux fabriqués en titane-saphir (Ti:saphir) sont considérés comme ayant des performances « inégalées ». Ils sont indispensables dans de nombreux domaines, notamment l’optique quantique de pointe, la spectroscopie et les neurosciences. Mais ces performances ont un prix élevé. Les lasers Ti:saphir sont volumineux, de l’ordre de quelques mètres cubes. Ils sont coûteux, coûtant des centaines de milliers de dollars chacun. Et ils nécessitent d’autres lasers de grande puissance, coûtant eux-mêmes 30 000 dollars chacun, pour leur fournir suffisamment d’énergie pour fonctionner.
Percée dans la technologie laser
En conséquence, les lasers Ti:saphir n’ont jamais connu l’adoption massive et concrète qu’ils méritent – jusqu’à présent. Dans un bond en avant spectaculaire en termes d’échelle, d’efficacité et de coût, des chercheurs de l’Université de Stanford ont construit un laser Ti:saphir sur une puce. Le prototype est quatre ordres de grandeur plus petit (10 000 fois) et trois ordres de grandeur moins cher (1 000 fois) que n’importe quel laser Ti:saphir jamais produit.
Miniaturisation révolutionnaire et réduction des coûts
« Il s’agit d’un changement radical par rapport à l’ancien modèle », a déclaré Jelena Vučković, professeure Jensen Huang en leadership mondial, professeure de génie électrique et auteure principale de l’article présentant le laser Ti:saphir à l’échelle de la puce, publié dans la revue Nature« Au lieu d’un seul laser de grande taille et coûteux, n’importe quel laboratoire pourrait bientôt disposer de centaines de ces précieux lasers sur une seule puce. Et vous pouvez alimenter tout cela avec un pointeur laser vert. »
« Lorsque vous passez de la taille d'une table à quelque chose pouvant être produit sur une puce à un coût aussi bas, cela met ces lasers puissants à la portée de nombreuses applications différentes et importantes », a déclaré Joshua Yang, doctorant dans le laboratoire de Vučković et co-premier auteur de l'étude avec les collègues du laboratoire de photonique nanométrique et quantique de Vučković, l'ingénieur de recherche Kasper Van Gasse et le chercheur postdoctoral Daniil M. Lukin.
Avantages techniques et potentiel de production de masse
En termes techniques, les lasers Ti:saphir sont si précieux parce qu'ils ont la plus grande « bande passante de gain » de tous les cristaux laser, a expliqué Yang. En termes simples, la bande passante de gain se traduit par la gamme de couleurs plus large que le laser peut produire par rapport aux autres lasers. Il est également ultra-rapide, a déclaré Yang. Des impulsions lumineuses sont émises tous les quadrillionièmes de seconde.
Mais les lasers Ti:saphir sont également difficiles à trouver. Même le laboratoire de Vučković, qui effectue des expériences de pointe en optique quantique, ne dispose que de quelques-uns de ces lasers précieux à partager. Le nouveau laser Ti:saphir tient sur une puce qui se mesure en millimètres carrés. Si les chercheurs parviennent à les produire en masse sur des plaquettes, des milliers, voire des dizaines de milliers de lasers Ti:saphir pourraient potentiellement être comprimés sur un disque qui tient dans la paume d'une main humaine.
« Une puce est légère. Elle est portable. Elle est peu coûteuse et efficace. Elle ne comporte aucune pièce mobile. Et elle peut être produite en masse », a déclaré Yang. « Comment ne pas l'apprécier ? Cela démocratise les lasers Ti:saphir. »
Innovations dans le secteur manufacturier
Pour concevoir le nouveau laser, les chercheurs ont commencé avec une couche massive de titane-saphir sur une plate-forme de dioxyde de silicium (SiO2), le tout sur un véritable cristal de saphir. Ils meulent, gravent et polissent ensuite le saphir Ti jusqu'à obtenir une couche extrêmement fine, de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur seulement. Dans cette fine couche, ils façonnent ensuite un tourbillon de minuscules crêtes. Ces crêtes sont comme des câbles à fibres optiques, guidant la lumière en rond, augmentant en intensité. En fait, ce motif est connu sous le nom de guide d'ondes.
« Mathématiquement parlant, l’intensité est la puissance divisée par la surface. Ainsi, si vous conservez la même puissance que le laser à grande échelle, mais que vous réduisez la surface sur laquelle il est concentré, l’intensité monte en flèche », explique Yang. « La petite taille de notre laser nous aide en fait à le rendre plus efficace. »
La pièce restante du puzzle est un radiateur à micro-échelle qui réchauffe la lumière traversant les guides d’ondes, permettant à l’équipe Vučković de modifier la longueur d’onde de la lumière émise pour ajuster la couleur de la lumière entre 700 et 1 000 nanomètres – du rouge à l’infrarouge.
Applications et perspectives d'avenir
Vučković, Yang et leurs collègues sont particulièrement enthousiasmés par l’éventail de domaines sur lesquels un tel laser pourrait avoir un impact. En physique quantique, le nouveau laser offre une solution peu coûteuse et pratique qui pourrait réduire considérablement la taille des ordinateurs quantiques de pointe. En neurosciences, les chercheurs peuvent entrevoir une application immédiate en optogénétique, un domaine qui permet aux scientifiques de contrôler les neurones avec de la lumière guidée à l’intérieur du cerveau par une fibre optique relativement volumineuse. Les lasers à petite échelle, disent-ils, pourraient être intégrés dans des sondes plus compactes, ouvrant ainsi de nouvelles voies expérimentales. En ophtalmologie, il pourrait trouver une nouvelle utilisation avec l’amplification d’impulsions chirpées, récompensée par le prix Nobel, en chirurgie laser ou offrir des technologies de tomographie par cohérence optique moins coûteuses et plus compactes utilisées pour évaluer la santé de la rétine.
L'équipe travaille actuellement à perfectionner son laser Ti:saphir à l'échelle d'une puce et à trouver des moyens de le produire en masse, par milliers, sur des plaquettes. Yang obtiendra son doctorat cet été sur la base de ces recherches et s'efforce de commercialiser cette technologie.
« Nous pourrions placer des milliers de lasers sur une seule plaquette de 4 pouces », explique Yang. « C'est à ce moment-là que le coût par laser commence à devenir presque nul. C'est plutôt enthousiasmant. »
Les auteurs contributeurs sont la chercheuse postdoctorale Melissa A. Guidry et les doctorants Geun Ho Ahn et Alexander D. White. Vučković est également membre de Stanford Bio-X, du Stanford PULSE Institute et du Wu Tsai Neurosciences Institute.
Le financement de cette recherche est assuré par l'Institut d'ingénierie et de technologie AF Harvey Prize, la bourse Vannevar Bush du département américain de la Défense et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et l'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR). Une partie de ce travail a été réalisée au Stanford Nano Shared Facilities (SNSF)/Stanford Nanofabrication Facility (SNF), avec le soutien de la National Science Foundation.
