Peignes de fréquences miniaturisés à émission dans infrarouge moyen.
© 2013 EPFL
Des scientifiques EPFL dans une collaboration internationale ont obtenu pour la première fois la génération de peignes de fréquences dans infrarouge moyen par des micro-résonateurs cristallins. Cela ouvre la voie à une nouvelle classe d'instruments compacts, sensibles et de haute précision, pour la spectroscopie moléculaire et la métrologie temps-fréquence.
Prenant le nom de l'objet éponyme du quotidien, un peigne de fréquences est une impulsion de lumière composée d'un grand nombre (de quelques centaines à plusieurs millions) des pics à des fréquences régulièrement espacées, la plupart du temps couvrant plus d'une octave, c'est à dire un intervalle de deux fois la fréquence inférieure émise.
La haute précision avec laquelle les fréquences des pics (dents) sont connues et leur puissance élevée font des peignes de fréquences des outils qui ouvrent la porte à des applications nouvelles et inattendues. En particulier, les peignes de fréquences ont fortement impacté la spectroscopie moléculaire en améliorant considérablement la vitesse d'enregistrement, la résolution et la précision des spectromètres de Fourier.
La région de l’infrarouge moyen est très intéressante pour la spectroscopie moléculaire car elle correspond aux énergies de vibrations de la structure des molécules. Le spectre d'absorption dans cette région donne donc une "empreinte digitale" de la molécule qui permet son identification.
Pour cette raison il serait très souhaitable de profiter de la haute précision des peignes de fréquences dans l'infrarouge moyen; malheureusement, jusqu'ici, les dispositifs opérants dans cette région étaient encombrants et difficiles à mettre en place.
Dans un article qui vient d’être publié dans Nature Communications (8 janvier 2013), des scientifiques du groupe du Prof. Tobias Kippenberg (Laboratoire de photonique et mesures quantiques), en collaboration avec des chercheurs d'Allemagne (Prof. T. W. Hänsch) et France (Dr N. Picqué), ont construit des dispositifs miniaturisés qui exhibent des peignes de fréquences dans l'infrarouge moyen et en ont démontré la faisabilité de leur utilisation en spectroscopie dans un cas concret.
« Les caractéristiques remarquables de ces générateurs de peignes de fréquences sont leur petite taille, la séparation entre les pics, leur forte puissance et l'efficacité de conversion de l’énergie», affirme le Dr Christine Wang, le post-doc qui a réalisé l'expérience. « Le choix approprié du matériau, le fluorure de magnésium dans ce cas, et de la géométrie du dispositif sont essentiels afin de réaliser un grand champ spectral et un bruit de phase réduit, tels que requis pour le fonctionnement des peignes de fréquences. »
Ces sources miniaturisées sont donc très prometteuse pour la construction de spectromètres intégrés basés sur des peignes de fréquences. Le spectre des vibrations fondamentales d’échantillons en phase liquide pourrait être mesuré et rafraichi ou refait en quelques nanosecondes!