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De nouveaux lasers au service d'une empreinte moléculaire très sensible

Un projet financé par l'UE a dévoilé un peigne de fréquences sous la forme d'un laser compact, étendant dans l'infrarouge la plage de ces peignes. Ces sources de lumière sont très intéressantes pour la spectroscopie haute résolution, la métrologie et la détection de gaz.

Technologies industrielles

Le spectre électromagnétique couvre toute la plage des ondes électromagnétiques (et les fréquences correspondantes). Dans les techniques classiques de spectroscopie, chaque fréquence est analysée séparément, apportant des informations sur le contenu de la molécule. Le peigne de fréquences, dont la découverte a valu à ses auteurs le prix Nobel 2005, est un spectre discontinu constitué de raies spectrales disposées quelque peu comme les dents d'un peigne. Le projet METROCOMB (Femtosecond comb optical parametric oscillators for high-resolution spectroscopy in the mid-infrared) a regroupé un consortium d'experts internationaux dans les domaines dynamiques des lasers ultra rapides, des peignes de fréquences stabilités, et des oscillateurs optiques paramétriques. Ils ont mis au point un peigne de fréquences laser, du type oscillateur optique paramétrique, avec une sensibilité et une exactitude de détection sans précédent. Ce nouveau laser peigne de fréquences fonctionne dans l'infrarouge, une gamme de fréquences jusqu'ici hors de portée de ces peignes. Il pourrait donc révolutionner la spectroscopie d'empreinte moléculaire, autoriser une imagerie temps-réel avec identification des molécules, détecter des produits chimiques à l'état de traces, et faciliter l'analyse médicale de l'haleine. Les chercheurs ont utilisé un laser à semi-conducteur et verrouillage de mode (VECSEL) pour pomper l'oscillateur paramétrique optique et produire le peigne de fréquences dans l'infrarouge proche. Le peigne de fréquences génère des raies spectrales fines et régulièrement espacées, un peu comme les dents d'un peigne, au lieu d'une seule fréquence. Les impulsions laser ultra courtes étaient séparées de quelques nanosecondes. Les chercheurs ont réussi à améliorer la stabilité des peignes pour les ondes de 1 à 4,5 µm. La compression des impulsions, dans la configuration VECSEL, s'est faite en deux étapes. D'abord, un compresseur hors cavité utilise deux réseaux de diffraction pour réduire la durée de l'impulsion du faisceau en sortie du laser. Ensuite, une fibre optique de 5 mètres, préservant la polarisation et imposant une auto-modulation de phase, élargit le spectre du faisceau sortant. Enfin, l'impulsion à spectre élargi est de nouveau comprimée, aboutissant à des impulsions de moins de 300 fs. Le projet METROCOMB a réalisé un peigne de fréquences femtoseconde, puissant et stable, dans une configuration laser compacte, portable et abordable, qui pourrait révolutionner la surveillance dans l'industrie et de l'environnement, ainsi que dans les diagnostics médicaux et les systèmes de sécurité.

Mots‑clés

Empreinte moléculaire, peigne de fréquences, laser, infrarouge, spectroscopie, métrologie

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