Des chercheurs de l’Université de Tampere ont développé avec succès une nouvelle conception de fibre optique permettant la génération de lumière laser arc-en-ciel dans la région électromagnétique des empreintes digitales moléculaires. Cette nouvelle fibre optique avec un faisceau autonettoyant peut aider à développer des applications pour, par exemple, le marquage des polluants, le diagnostic du cancer, la surveillance environnementale et le contrôle alimentaire. La découverte a été publiée dans la revue Communication Nature.
Lorsqu’une impulsion lumineuse ultracourte de haute puissance interagit avec un matériau tel qu’une fibre optique en verre, une gamme d’interactions hautement non linéaires se produit qui provoque des changements complexes dans les propriétés temporelles et spectrales de la lumière injectée. Lorsqu’elles sont poussées à l’extrême, de telles interactions peuvent conduire à la génération d’un laser arc-en-ciel de lumière communément appelé source de lumière supercontinuum. Depuis sa première démonstration dans un type spécial de fibre optique en 2000, la lumière laser supercontinuum a révolutionné de nombreux domaines scientifiques, allant de la métrologie et de l’imagerie à une résolution sans précédent à la télédétection ultra large bande et même à la détection d’exoplanètes.
Le goulot d’étranglement actuel avec les sources de supercontinuum actuelles, cependant, est qu’elles sont basées sur des fibres optiques qui prennent en charge un seul profil ou mode d’intensité transversal, ce qui limite de manière inhérente leur puissance optique. De plus, les fibres optiques conventionnelles sont en verre de silice avec une transmission limitée à la région visible et proche infrarouge du spectre. L’extension de la lumière supercontinuum à d’autres régimes de longueurs d’onde comme l’infrarouge moyen nécessite des fibres optiques en verres dits mous, mais celles-ci possèdent un seuil d’endommagement plus faible que la silice, limitant encore plus la puissance du faisceau supercontinuum.
Fibre optique sans silice avec un faisceau autonettoyant
Récemment, un type différent de fibre optique avec un indice de réfraction qui varie en continu à travers la structure de la fibre s’est avéré produire une augmentation spectaculaire de la puissance supercontinuum, tout en préservant un profil d’intensité de faisceau lisse. « La variation de l’indice de réfraction de ces fibres optiques à gradient d’indice conduit à une focalisation et une défocalisation périodiques de la lumière à l’intérieur de la fibre qui permet le couplage entre les interactions lumière-matière non linéaires spatiales et temporelles. Cela conduit à un mécanisme d’auto-nettoyage qui produit une lumière supercontinuum avec haute puissance et un profil de faisceau propre. En plus de leurs nombreuses applications, ils fournissent également un moyen d’étudier les effets fondamentaux de la physique tels que la turbulence des ondes », explique le professeur Goëry Genty, responsable du groupe de recherche à l’Université de Tampere.
Si ces fibres ont récemment attiré l’attention de la communauté des chercheurs, leur utilisation était jusqu’à présent limitée au visible et au proche infrarouge. En collaboration avec le groupe des Prs. Buczynski et Klimczak à l’Université de Varsovie (Pologne) et le groupe du Prof. Dudley à l’Université de Bourgogne France-Comté (France), l’équipe de Tampere a démontré pour la première fois la génération d’un supercontinuum de deux octaves du visible au infrarouge moyen dans une fibre à gradient d’indice sans silice avec un faisceau autonettoyant.
« Ce problème a maintenant été résolu en utilisant une conception particulière qui utilise deux types de tiges de verre de plomb-bismuth-gallate avec différents indices de réfraction dessinés pour donner un noyau nanostructuré. Le résultat est une fibre à gradient d’indice avec un profil d’indice de réfraction parabolique efficace. avec une transmission jusqu’à l’infrarouge moyen et, cerise sur le gâteau, des interactions lumière-matière non linéaires améliorées », explique la chercheuse Zahra Eslami.
Grand potentiel en diagnostic et surveillance
L’infrarouge moyen est d’un intérêt crucial car il contient les transitions vibrationnelles caractéristiques de nombreuses molécules importantes.
« La nouvelle solution conduira à des sources de lumière supercontinuum plus efficaces dans l’infrarouge moyen avec de nombreuses applications potentielles, par exemple pour le marquage des polluants, le diagnostic du cancer, la vision artificielle, la surveillance environnementale, la qualité et le contrôle alimentaire », explique Genty.
Les chercheurs prévoient que ce nouveau type de fibre deviendra très bientôt un matériau important et standard pour la génération de sources à large bande et de peignes de fréquences.
Zahra Eslami et al, Génération de supercontinuum à deux octaves dans une fibre multimode à gradient d’indice sans silice, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29776-6
Fourni par l’Université de Tampere