Peigne de fréquence optique

Des peignes de fréquence sont développés^[1] dans le domaine de l'optique et surtout des lasers, servant à mesurer des intervalles de temps et des fréquences lumineuses avec une précision particulièrement fortement perfectionnée ;
A titre d'exemple : la spectroscopie ultra-haute résolution permet déjà une mesure de la distance terre-lune avec une précision équivalent à l'épaisseur de 1/100 000 ème de cheveux. Cette précision devrait être portée à 10 millionièmes de cheveux^[2].

Principes

Une onde lumineuse peut contenir plus d'un million de milliards (10¹⁵) d'oscillations ou cycles par seconde

Dans le domaine des grandes longueurs d'onde, un filtre en peigne permettait déjà de traiter un signal optique en ajoutant une version retardée du signal à lui-même, provoquant des interférences destructives ou constructives. La réponse en fréquence du filtre se présente sous la forme d'une série de pics régulièrement espacés, d'où le nom de «filtre en peigne». Un filtre de ce type peut être implanté sous une forme discrète ou continue dans le temps.

Dans le domaine de l'optique et spectroscopie de précision, depuis peu (Prix Nobel 2005 de physique) on utilise le spectre d'un laser à impulsions ultra-courtes (ou «laser ultrabref» ex : laser au titane-saphir), qui est un peigne de fréquence qu'on peut utiliser comme une sorte de règle ultra-précise spatiale et temporelle (10 000 fois plus précises que la mesure faite par les meilleurs oscilloscopes).
La difficulté du contrôle de la source lumineuse a été résolue par l'invention de «lasers à modes bloqués» délivrant des impulsions ultra-brèves émises en courtes séries de crêtes et creux croissant et décroissant de manière régulière sur un pas de temps qui peut être aussi bref que 10 femtosecondes. On crée un effet de peigne lorsque on utilise un «laser à mode bloqué» pour produire une interférence avec la lumière d'un laser continu ultra-stable (qui sera ici l'«onde porteuse» et qui émet un flot continu d'oscillations régulières).

Les chercheurs disposent désormais d'une instrumentation simple pouvant couvrir une octave (gamme de lumière allant d'une fréquence au double de cette fréquence) grâce à une nouvelle fibre optique microstructurée guidant le flux de photons dans une suite de trous de diamètre micrométrique pleins d'air. Une telle fibre propage la lumière d'un laser titane-saphir sans étirer ses impulsions comme cela se produit dans une fibre normale ou dans la majorité des milieux optiques. Cette fibre a la propriété de provoquer un élargissement spectral de l'onde (elle produit l'ensemble des couleurs de l'arc en ciel, visible à l'œil nu) tandis que la lumière du laser est produite dans le proche infrarouge, à peine visible par l'œil humain), tout en conservant la structure en peigne de fréquence d'origine donnée par le laser.

Domaines potentiels d'application

Ils sont probablement particulièrement nombreux, mais on peut déjà citer :

• mesure physiques et de phénomènes lumineux ou d'éléments chimiques, création de détecteurs chimiques de haute précision, donnant la possibilité par exemple la mesure fine de la pollution de l'air, de l'eau ou d'aliments, la détection de gaz chimiques (armes chimiques, d'explosifs, d'émissions accidentelles, de toxiques ou biomarqueurs (du cancer par exemple) présents dans l'haleine d'un patient.. )  ;
• amélioration de plusieurs ordres de grandeur de la sensibilité et de la portée d'instruments télémétriques utilisant la lumière (instruments de type «lidar») ;
• augmentation (de plusieurs ordres de grandeur) de la quantité d'information transportable par une même fibre optique
• amélioration de la microscopie optique
• mesure perfectionnée du temps (horloges atomiques toujours plus précises ; utilisant le peigne de fréquence optique pour décompter les oscillations de lumineuses et les convertir en un signal temporel ultra-précis) ;
• mesure spatiale perfectionnée de plusieurs ordres de grandeur, avec applications envisageables dans le domaine du GPS;
• création de synthétiseurs de fréquences optiques ultra-précises, donnant la possibilité le perfectionnement de la mesure dans le domaine des nanotechnologies et de la femtochimie
• création de super-lasers groupant les émissions de plusieurs lasers à peitnes de fréquence en un flot unique, mais cohérent et organisé, d'impulsions lumineuses. Potentiellement tout le spectre électromagnétique (du rayon X à l'onde radio en passant par l'infrarouge devrait ainsi pouvoir être contrôlé et utilisé)
• analyse de nanophénomènes d'origines biologiques, biochimiques (intérêt pour l'étude des virus par exemple).
• manipulation cohérente d'atomes (pour l'information quantique ou d'autres objectifs).
• ordinateurs optiques, cryptage informatique
• etc.

Prospective :

• Il semble aussi envisageable de contrôler ou catalyser certaines réactions chimiques aux nano-échelles grâce à des peignes de fréquence optique (réactions dites ultrafroides). Certains chercheurs espèrent aussi ainsi pouvoir contrôler des réactions biochimiques

Voir aussi

• Métrologie
• Spectroscopie
• Laser

Liens externes

• PowerPoint (fr)

Bibliographie

Notes et références

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