Nous avons tous joué au moins une fois avec un jouet à ressort, mais saviez-vous que la lumière peut aussi avoir la forme d’un ressort ?
Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par Marco Piccardo, ancien chercheur à l’Institut italien de technologie (IIT) et maintenant professeur au département de physique de Técnico Lisboa et chercheur principal à l’Institut d’ingénierie des microsystèmes et des nanotechnologies (INESC MN), a exploité l’optique ultrarapide et la lumière structurée pour synthétiser en laboratoire une nouvelle famille de faisceaux lumineux spatio-temporels, appelés ressorts lumineux.
La recherche a été réalisée en collaboration entre l’IIT, Politecnico di Milano et Técnico Lisboa. La découverte a un potentiel perturbateur pour les applications en photonique avec lumière complexe, telles que la microscopie à résolution temporelle (utile, par exemple, pour produire des films illustrant le mouvement des molécules et des virus), l’accélération laser-plasma et l’espace libre (par exemple, dans l’atmosphère) communications optiques.
La recherche est publiée dans Photonique de la nature.
En optique ultrarapide, il est possible de raccourcir ou d’allonger la durée d’impulsions optiques extrêmement courtes – jusqu’à quelques femtosecondes, ou millièmes de milliardièmes de seconde – ou encore de produire des impulsions complexes, grâce à une technique connue sous le nom de mise en forme d’impulsions. Une idée centrale de ce principe est que les impulsions laser courtes sont composées d’une large gamme de couleurs.
Les scientifiques séparent une impulsion en ses couleurs constitutives, qui sont ensuite manipulées et recombinées séparément, ce qui donne une nouvelle forme d’impulsion laser. Alors que la mise en forme des impulsions permet de manipuler le profil temporel d’une impulsion, il existe un autre ensemble de techniques – connu sous le nom de mise en forme du front d’onde – permettant de donner à la lumière une structure spatiale. Les concepteurs de lumière ont appris à combiner ces deux méthodes pour façonner simultanément la lumière dans l’espace et dans le temps, en faisant le pont entre l’optique ultrarapide et la lumière structurée pour des applications spatio-temporelles entièrement nouvelles.
Un changement de paradigme dans la mise en forme spatio-temporelle de la lumière
Signaler maintenant dans Photonique de la nature, Piccardo et ses collaborateurs ont introduit un changement de paradigme dans la mise en forme spatio-temporelle de la lumière. Contrairement aux shapers conventionnels qui séparent différentes couleurs le long d’une bande colorée, les chercheurs ont maintenant utilisé un type spécial de réseau de diffraction à symétrie circulaire, pour créer un arc-en-ciel rond de couleurs.
Il s’agit d’une expérience que tout le monde peut tenter à la maison : en éclairant avec une lampe de poche un vieux CD-ROM et en prenant une photo avec l’appareil photo du téléphone, un arc-en-ciel rond sera capturé. Maintenant, remplacez la lampe de poche par une impulsion laser ultracourte et le CD-ROM par un dispositif diffractif microstructuré fabriqué dans la salle blanche de nanofabrication et vous êtes à mi-chemin de l’expérience. La deuxième partie de l’expérience consiste à utiliser des hologrammes avancés pour structurer les nombreuses couleurs de la lumière en différents tourbillons optiques en forme de tire-bouchon.
« Il en résulte une nouvelle famille de faisceaux lumineux spatio-temporels, qui évoluent sur une échelle de temps femtoseconde ultracourte avec une structure lumineuse torsadée et largement personnalisable », a déclaré Marco Piccardo. « Il ouvre des capacités de conception sans précédent en photonique, avec de nombreux composants spectraux et structurels à traiter. »
La nature large bande de ces nouveaux faisceaux lumineux pose de nouveaux défis pour leur caractérisation, que l’équipe a surmontés en développant une technique de reconstruction puissante, appelée holographie hyperspectrale, fournissant la tomographie complète des structures spatio-temporelles complexes.
« Notre technique, qui combine l’holographie avec la spectroscopie à transformée de Fourier, permet une caractérisation complète du profil spatio-temporel de faisceaux complexes, permettant des applications radicalement nouvelles dans l’étude des interactions lumière-matière », a déclaré Giulio Cerullo, professeur au Politecnico di Milano et co- auteur de l’étude.
L’équipe a présenté le contrôle sans précédent permis par leur façonneur d’espace-temps en adaptant de nombreuses propriétés des ressorts de lumière. Une belle démonstration montre deux de ces ressorts dansant ensemble dans l’espace et le temps.
« Nous avons trouvé une physique extrêmement intéressante en utilisant ces faisceaux, ce qui pourrait nous conduire à une toute nouvelle génération d’accélérateurs compacts et de sources de lumière dans le plasma. Cette technique est très excitante car elle promet d’apporter ces concepts théoriques au laboratoire et de déclencher une avancée majeure. en physique laser-plasma », a déclaré Jorge Vieira, professeur à Técnico Lisboa et co-auteur de l’étude.
Maintenant qu’il est enfin possible de synthétiser ces sources lumineuses en toute liberté en laboratoire, la prochaine étape naturelle sera de les intégrer dans des expériences laser-plasma.
« C’est un objectif très ambitieux, mais les capacités de fabrication nanophotonique de l’INESC MN à Lisbonne et les excellents groupes de recherche sur le plasma de Técnico représentent un écosystème idéal pour poursuivre cette recherche ambitieuse », a déclaré Piccardo. « La combinaison de ces faisceaux spatio-temporels avancés avec des interactions laser-matière non linéaires intenses pourrait avoir des implications fondamentales et technologiques importantes. »
Plus d’information:
Marco Piccardo et al, contrôle à large bande des corrélations topologiques-spectrales dans les faisceaux espace-temps, Photonique de la nature (2023). DOI : 10.1038/s41566-023-01223-y
Fourni par Técnico Lisboa