Peigne de fréquences optiques

Une impulsion ultra-courte de lumière dans le domaine du temps. Dans cette image, l'amplitude et l'intensité sont des fonctions gaussiennes. L'auteur de cette image a décidé de faire correspondre le maximum de la fonction avec le maximum de l'enveloppe.

Un peigne de fréquence est la représentation graphique du spectre produit par un laser femtoseconde. Les peignes de fréquence sont développés dans le domaine de l'optique et plus particulièrement des lasers, permettant de mesurer des intervalles de temps et des fréquences lumineuses avec une précision très fortement améliorée. À 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^e de cheveux. Cette précision devrait être portée à 10 millionièmes de cheveux.

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 quand 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 maintenant 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 plupart des milieux optiques. Cette fibre a la propriété de provoquer un élargissement spectral de l'onde (elle produit toutes les couleurs de l'arc en ciel, visible à l'œil nu) alors que la lumière du laser est produite dans le proche infrarouge, à peine visible par l'œil humain), tout en conservant la structure en impulsions initiale donnée par le laser.

Domaines potentiels d'application

Ils sont sans doute très nombreux, mais on peut déjà citer :

• mesure physiques et de phénomènes lumineux ou d'éléments chimiques, création de détecteurs chimiques de haute précision, permettant 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 améliorée du temps (horloges atomiques encore 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 améliorée de plusieurs ordres de grandeur, avec applications possibles dans le domaine du GPS;
• création de synthétiseurs de fréquences optiques ultra-précises, permettant l'amélioration 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 également possible 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

Articles connexes

• Métrologie
• Spectroscopie
• Laser

Domaine électromagnétique

• Filtre linéaire
• Filtre de Bessel
• Filtre de Butterworth
• Filtre de Legendre
• Filtre de Tchebychev
• Filtre elliptique