Une lumière laser ciblée qui couvre une large gamme de fréquences est hautement souhaitable pour de nombreuses études scientifiques et pour de nombreuses applications, par exemple, le contrôle de la qualité de la fabrication de puces électroniques semi-conductrices. Mais la création d'une telle lumière à large bande et cohérente a été difficile à réaliser avec tout sauf des dispositifs de table volumineux et gourmands.
Maintenant, une équipe Caltech dirigée par Alireza Marandi, professeur de génie électrique et de physique appliquée à Caltech, a créé un petit appareil capable de produire une gamme inhabituellement large de fréquences laser-lumière avec une efficacité ultra-élevée, le tout sur une microchie. Le travail a un potentiel dans des domaines allant des communications et de l'imagerie à la spectroscopie, où la lumière aiderait la détection des atomes et des molécules dans divers contextes.
Les chercheurs décrivent le nouvel appareil nanophotonique et l'approche dans un article qui apparaît dans la revue Photonique de la nature. L'auteur principal de l'article, «Frequency Pegl multi-octave à partir d'un oscillateur paramétrique nanophotonique ultra-low-seuil», est Ryoto Sekine (Ph.D.), qui a terminé les travaux tandis qu'un étudiant diplômé du laboratoire de Marandi.
« Nous présentons qu'avec un seul dispositif nanophotonique et de faibles énergies d'entrée dans la gamme Femtojoule, vous pouvez en fait couvrir une large section du spectre électromagnétique, des longueurs d'onde visibles aux infrarouges moyens. C'est quelque chose qui n'avait jamais été fait », dit Marandi.
Le dispositif Caltech utilise une technologie qui existe depuis 1965: un oscillateur paramétrique optique (OPO). Essentiellement, un OPO est un résonateur, un minuscule piège à lumière technique qui prend la lumière laser entrante à une fréquence d'entrée et utilise un cristal non linéaire spécial – ici, le niobate de lithium – qui, avec une ingénierie minutieuse, peut générer une lumière de fréquences différentes.
En général, les OPO commencent à partir d'une source laser avec une plage de fréquence étroite et générent des sorties à différentes fréquences mais toujours dans une plage étroite. En règle générale, ils ont été utilisés comme sources de type laser avec des fréquences de sortie largement accordables ou réglables.
Un peigne léger
Cependant, dans ce travail, Marandi et ses collègues ont conçu leur OPO à l'échelle nanométrique sur une puce pour générer ce qui est connu comme un peigne de fréquence, un spectre de lumière laser à espacée uniformément à travers une large gamme de fréquences avec très peu d'énergie d'entrée. Le peigne de fréquence couvre une gamme spectrale étonnamment large, offrant des lignes stables et stables de la lumière visible que nous pouvons voir jusqu'aux longueurs d'onde infrarouge moyennes plus longues.
Deux scientifiques ont obtenu une part du prix Nobel de physique 2005 pour leur travail en développant la technique de peigne de fréquence. Contrairement aux lasers conventionnels, qui émettent une seule couleur de lumière, les peignes de fréquence agissent comme une règle pour la lumière sur une gamme de fréquences. Ces peignes ont été utilisés pour tout améliorer, de la précision des horloges atomiques et des mesures faites avec une surveillance légère à environnementale.
Mais, dit Marandi, il y a eu deux défis principaux avec des peignes de fréquence: la première est que les sources sont trop grandes, et la seconde est qu'il est difficile de les faire dans différentes fenêtres spectrales souhaitées. Notre travail offre un chemin vers la résolution de ces deux problèmes. «
Les principales progrès du nouvel appareil sont ce que Marandi décrit comme l'ingénierie de dispersion – expliquant comment différentes longueurs d'onde de lumière se déplacent à travers l'appareil, garantissant qu'ils restent ensemble plutôt que de se propager – et une structure de résonateur soigneusement conçue. Ensemble, ceux-ci permettent à l'appareil d'élargir efficacement le spectre et de maintenir la cohérence tout en nécessitant un seuil extrêmement bas, ou une énergie à laquelle il commence à fonctionner.
Un spectre cohérent étonnamment large
Marandi dit que lui et son équipe ont été surpris par les performances de l'appareil. « Nous l'avons allumé et augmenté la puissance, et quand nous avons regardé le spectre, nous avons vu qu'il était extrêmement large. Nous avons été particulièrement surpris que le spectre super-butin soit en fait cohérent. C'était contre les descriptions du manuel du fonctionnement des OPO », dit-il.
Cela a renvoyé les chercheurs à leurs simulations et à la théorie pour essayer de comprendre comment cela pourrait être. Dans les simulations, l'augmentation de l'énergie de la lumière entrante au-dessus du seuil a provoqué une incohérente du spectre – c'est-à-dire de diverses longueurs d'onde et non verrouillée en phase, ce qui signifie qu'aucun peigne de fréquence n'est généré. Mais de retour dans le laboratoire, le spectre était cohérent lors du fonctionnement plus au-dessus du seuil.
« Il nous a fallu peut-être six mois pour découvrir qu'il existe ce nouveau régime d'opération OPO dans lequel l'OPO est bien au-dessus de son seuil et que la cohérence est rétablie », explique Marandi.
« Parce que le seuil de cet OPO est des ordres de grandeur inférieurs aux OPO précédents, et que la dispersion et le résonateur sont conçus contrairement à la réalisation précédente des OPO, nous pourrions observer cet élargissement spectral phénoménal, qui est des ordres de grandeur plus efficaces par l'énergie que les autres spectres spectraux. »
Les chercheurs disent que le travail pourrait remodeler la fréquence des technologies basées sur les peignes, actuellement trouvées dans les configurations de table, pourrait passer à des dispositifs photoniques intégrés. L'une des principales techniques utilisées pour fabriquer des peignes de fréquence stables nécessite d'élargir considérablement leur spectre. L'énergie requise pour un tel élargissement a été l'un des goulots d'étranglement empêchant l'intégration des technologies de peigne de fréquence sur la puce.
Au-delà de cela, la majeure partie des technologies photoniques, y compris la plupart des lasers et détecteurs bien développés utilisés pour mesurer les molécules, fonctionne dans la plage proche infrarouge ou visible.
Les OPO qui commencent à partir des lasers infrarouges en tant que fréquence d'entrée, puis convertissent efficacement la lumière, en produisant une lumière cohérente dans la gamme infrarouge moyenne, pourrait permettre aux chercheurs, par exemple ceux qui travaillent avec la spectroscopie, d'accéder à une multitude d'informations à des fréquences plus basses.
