Pour produire de la lumière, les lasers utilisent généralement des cavités optiques, des paires de miroirs face à face qui amplifient la lumière en la faisant rebondir dans les deux sens. Récemment, certains physiciens ont étudié la génération de « lumière laser » à l’air libre sans utiliser de cavités optiques, un phénomène connu sous le nom de « laser sans cavité » dans l’air atmosphérique.
Des chercheurs de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et de l’Institut Max Born ont récemment dévoilé un mécanisme physique qui conduit à ce phénomène. Ce mécanisme, décrit dans un papier dans Lettres d’examen physiqueconsiste en un transfert d’énergie par photons de l’azote (N2) à l’argon (Ar).
« Nous avons remarqué qu’il semblait y avoir une réduction jusqu’alors inconnue du taux d’ionisation de l’Ar dans le régime d’ionisation à champ élevé (en utilisant un laser à pompe de 261 nm) par rapport à celle prédite par la théorie PPT ou l’équation de Schrödinger dépendante du temps », a déclaré Chan Joshi, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Nous voulions savoir si l’absorption résonante à 3 photons de photons de 261 nm dans l’Ar pouvait jouer un rôle dans la réduction. »
L’étude récente des collègues de Joshi s’appuie sur les efforts expérimentaux antérieurs de l’équipe. Lors de leurs nouvelles expériences, l’équipe a observé que l’absorption à 3 photons de photons de 261 nm par des atomes d’Ar est suivie de l’émission d’une superfluorescence en cascade, plus précisément d’une émission bidirectionnelle sans cavité et de type laser.
« De plus, nous avons découvert de manière inattendue que la superfluorescence en cascade changeait de longueur d’onde si nous utilisions de l’air contenant 1 % d’Ar », a déclaré Zan Nie, l’auteur principal de l’étude. « Une étude plus approfondie de cet effet curieux a permis de découvrir un nouveau mécanisme de rayonnement laser dans l’air qui facilite le transfert d’énergie radiative de l’azote à l’Ar. »
Le nouveau mécanisme découvert par Joshi et ses collègues permet d’obtenir un effet laser bidirectionnel, bicolore et en cascade dans l’air atmosphérique. Ce mécanisme pourrait ainsi ouvrir de nouvelles voies pour la génération d’effets laser rétrogrades dans l’air, un objectif de recherche de longue date au sein de la communauté des physiciens.
« Comme l’air ambiant contient différents composants, nous avons étudié ce problème en mélangeant d’abord de l’argon avec différents composants de l’air ambiant, par exemple les composants les plus abondants : l’azote et l’oxygène », explique Joshi. « Il s’est avéré que le mélange d’azote et d’argon donnait les mêmes résultats que l’utilisation de l’air ambiant, tandis que le mélange d’autres gaz comme l’oxygène ou l’hélium ne donnait pas les mêmes résultats. Par conséquent, grâce à cette expérience de comparaison, nous pouvons déduire que l’origine du laser aérien était due au couplage entre l’argon et l’azote. »
Joshi et ses collègues ont également montré que les molécules N2 dans un état excité électroniquement présentent une absorption non linéaire à 3 photons pour 261 nm à des fréquences légèrement décalées par rapport à Ar. Ce décalage sert d’état excité supérieur pour la superfluorescence en cascade que l’équipe a observée. Dans leur article, les chercheurs présentent un modèle théorique qui explique la superfluorescence et ses mécanismes sous-jacents.
« La quête d’un laser efficace sans cavité en plein air dure depuis plus d’une décennie », a déclaré Misha Ivanov, co-auteur de l’article. « L’objectif principal, et plutôt difficile, est de réaliser un laser dans les deux sens. Autrement dit, vous voulez tirer un laser dans l’air et faire en sorte que l’air vous renvoie une rafale de lumière semblable à celle d’un laser. Cela serait très utile pour la télédétection, mais c’est tout simplement époustouflant. »
Cette étude récente menée par Nie, Ivanov, Joshi et leurs collègues a dévoilé un mécanisme jusqu’alors inconnu, à médiation photonique, qui transfère l’énergie de N2 à Ar, permettant ainsi un effet laser bidirectionnel en cascade dans l’air atmosphérique. À l’avenir, ce mécanisme pourrait être exploité pour réaliser un effet laser rétrograde dans l’air, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour le développement des technologies de télédétection.
« Notre projet de recherche future est d’étudier plus en détail la physique de ce mécanisme, comme le battement quantique », a ajouté Nie. « En termes simples, l’excitation simultanée de plusieurs niveaux d’Ar produit des oscillations de densité de charge dépendantes du temps. Les fréquences de ces oscillations peuvent révéler l’existence de niveaux jusqu’alors inconnus non seulement d’Ar mais aussi de niveaux vibrationnels-rotatifs d’azote qui sont importants dans le processus de couplage radiatif. »
« Nous avons également des idées pour augmenter l’efficacité du laser à air rétrograde afin de rapprocher cette technique des applications réelles de la télédétection. »
Plus d’informations :
Nie, Z. et al. Laser superfluorescent bidirectionnel en cascade dans l’air rendu possible par un échange de photons résonants de troisième harmonique de l’azote à l’argon, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.063201. Sur arXiv: arxiv.org/abs/2405.04089
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