Lumière structurée sans distorsion

Une perspective passionnante dans l’optique moderne consiste à exploiter les modèles de lumière – à quoi ressemble la lumière dans ses nombreux degrés de liberté – souvent appelés « lumière structurée ». Chaque motif distinct pourrait former un alphabet de codage pour la communication optique, ou pourrait être utilisé dans la fabrication pour améliorer les performances et la productivité. Malheureusement, les modèles de lumière sont déformés lorsqu’ils traversent des canaux bruyants, par exemple une fibre optique stressée, une optique aberrante, un tissu vivant trouble et peut-être un exemple très grave, la turbulence atmosphérique dans l’air.

Dans tous ces exemples, le modèle déformé peut se détériorer au point que le modèle de sortie ne ressemble en rien à l’entrée, ce qui annule le bénéfice. Comme rapporté dans Photonique avancéedes chercheurs en Afrique du Sud ont montré comment il est possible de trouver des formes de lumière sans distorsion qui sortent d’un canal bruyant exactement de la même manière qu’elles y ont été introduites. En utilisant la turbulence atmosphérique comme exemple, ils ont montré que ces formes spéciales de lumière , appelés modes propres, peuvent être trouvés même pour des canaux très complexes, émergeant sans distorsion, tandis que d’autres formes de lumière structurée seraient méconnaissables.

Faire passer la lumière à travers l’atmosphère est crucial dans de nombreuses applications, telles que l’optique en espace libre, la détection et la distribution d’énergie, mais trouver la meilleure façon de le faire s’est avéré difficile. Traditionnellement, une approche par essais et erreurs a été utilisée pour trouver les formes de lumière les plus robustes dans un canal bruyant particulier, mais à ce jour, toutes les formes de lumière structurée familière se sont révélées déformées à mesure que le support devient progressivement plus bruyant. La raison en est que la lumière peut « voir » la distorsion.

Mais est-il possible de créer une lumière qui ne voit pas la distorsion, passant à travers comme si elle n’était pas là ? Pour faire cette avancée, les chercheurs ont traité le canal bruité comme un opérateur mathématique et se sont posé une question simple : quelles formes de lumière seraient invariantes à cet opérateur ? En d’autres termes, les ondes lumineuses qui sont dans les modes naturels du canal se comportent comme si elles ne voyaient pas la distorsion : les vrais modes propres du canal.

L’exemple abordé était le cas sévère des distorsions dues aux turbulences atmosphériques. La réponse au problème a révélé des formes de lumière auparavant non reconnues (c’est-à-dire celles qui n’appartiennent à aucune famille de lumière structurée bien connue, mais néanmoins complètement robustes au milieu). Ce fait a été confirmé expérimentalement et théoriquement pour des conditions de turbulence faible et forte.

Selon l’auteur correspondant Andrew Forbes, SPIE Fellow et Distinguished Professor à l’Université du Witwatersrand à Johannesburg, « Ce qui est passionnant dans ce travail, c’est qu’il ouvre une nouvelle approche pour étudier la lumière complexe dans des systèmes complexes – par exemple, dans le transport de lumière classique et lumière quantique à travers la fibre optique, les canaux sous-marins, les tissus vivants et d’autres systèmes hautement aberrants. »

Il ajoute : « En raison de la nature des modes propres, peu importe la durée de ce milieu, ni la force de la perturbation, de sorte qu’il devrait bien fonctionner même dans les régimes où les procédures correctives traditionnelles, telles que l’optique adaptative, échouent. »

Le maintien de l’intégrité de la lumière structurée dans les milieux complexes ouvrira la voie à de futurs travaux d’imagerie et de communication via des canaux bruités, ce qui est particulièrement pertinent lorsque les formes structurées de la lumière sont des états quantiques fragiles.