«Filmer» la lumière polarisée à la fois dans l’espace et dans le temps
La lumière du soleil et presque toutes les autres formes d’éclairage naturel et artificiel sont composées d’ondes lumineuses dont les vecteurs du champ électrique vibrent dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation. Si la direction du vecteur du champ électrique est bien définie – c’est-à-dire qu’elle ne fluctue pas de manière aléatoire dans le temps – la lumière est polarisée. La source la plus courante de lumière polarisée est le laser. «Contrairement à la fréquence et à la durée temporelle des pulsations lumineuses produites par un laser, la polarisation(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) est une propriété moins intuitive, mais fondamentale, de la lumière qui peut déterminer dans une large mesure la manière dont la lumière et la matière interagissent. Par exemple, un faisceau de lumière avec une polarisation particulière peut être parfaitement transmis à travers le verre, sans réflexion. La lumière normale (non polarisée) subit toujours une réflexion partielle – c’est pourquoi nous pouvons distinguer une porte en verre ou une fenêtre même si elles sont transparentes», explique Helder Crespo, coordinateur de FastMeasure(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), un projet financé dans le cadre du programme Marie Skłodowska-Curie et dirigé par le boursier Benjamín Alonso.
Une nouvelle technique de mesure qui surpasse les limites actuelles
En tant que quantité vectorielle, le champ électrique de la lumière possède à la fois une magnitude et une direction. «Dans le cas le plus simple des impulsions laser ultracourtes, l’orientation spatiale du champ électrique des impulsions est constante dans le temps. Pourtant, un nombre croissant d’applications reposent sur des orientations du champ électrique qui varient dans le temps», ajoute Helder Crespo. «Notre objectif principal était de développer une technique permettant de caractériser les faisceaux vectoriels de lasers ultra-rapides(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) dont la polarisation est fonction des coordonnées temporelles et spatiales simultanément.» Une telle caractérisation est techniquement très complexe et était hors de portée des techniques traditionnelles de mesure des impulsions depuis de nombreuses décennies. Les mesures de polarisation se heurtent en particulier à la difficulté fondamentale de déterminer la phase relative entre les deux composantes orthogonales du champ électrique. Les choses sont simples lorsqu’il n’y a pas de différence de phase entre les deux composantes orthogonales et que l’onde lumineuse est polarisée de manière linéaire. Mais si les composantes du champ électrique sont différentes et non en phase, l’onde est alors polarisée de manière elliptique. Pour contourner ce problème et mesurer la phase complète du faisceau, les chercheurs ont utilisé une technique basée sur l’interférométrie double. Plus précisément, ils ont utilisé l’interférométrie pour déterminer la phase relative des deux composantes orthogonales et un coupleur à fibre optique pour déterminer la phase d’une composante. Le premier interféromètre était constitué d’une plaque biréfringente qui retardait les composantes vectorielles du champ électrique. Il a ainsi permis de créer un chemin optique commun pour les composantes interférentes, ce qui a également réduit considérablement la sensibilité au bruit ambiant. Grâce à ce nouveau dispositif, les chercheurs ont pu capturer les composantes ultrarapides du champ électrique qui alternaient leur orientation d’oscillation. Ainsi, une rotation dans le sens des aiguilles d’une montre pourrait devenir une oscillation linéaire, puis ce mouvement pourrait se transformer en une rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. «L’imagerie de la polarisation de la lumière dans l’espace et dans le temps pourrait accélérer les progrès des pinces optiques(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) – des outils très performants pour l’étude de nombreux systèmes biologiques», souligne Helder Crespo. Les travaux du projet sont présentés dans «Communications Physics»(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Des pulsations laser ultracourtes plus stables et plus fiables
Un autre volet de la recherche visait à développer une technique étroitement liée – une première en son genre – destinée à mesurer les propriétés de cohérence et les instabilités connexes des trains de pulsations des lasers ultrarapides. Les activités du projet sont particulièrement pertinentes pour le développement des nouvelles sources laser à fibre(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) qui, en raison de leur non-linéarité, sont plus limitées que leurs homologues ordinaires en termes de puissance moyenne et de pointe. Les travaux des chercheurs sont présentés dans «Scientific Reports»(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
