Image conceptuelle de la méthode d’utilisation d’états de polarisation à variation spectrale pour des mesures spectroscopiques à grande vitesse. Crédit : Frédéric Bouchard / Conseil national de recherches du Canada
Des chercheurs de l’Université de Tampere et leurs collaborateurs ont montré comment les mesures spectroscopiques peuvent être effectuées beaucoup plus rapidement. En corrélant la polarisation à la couleur d’un laser pulsé, l’équipe peut suivre les changements dans le spectre de la lumière par des mesures de polarisation simples et extrêmement rapides. La méthode ouvre de nouvelles possibilités pour mesurer les changements spectraux à l’échelle de la nanoseconde sur l’ensemble du spectre de couleurs de la lumière.
En spectroscopie, les changements de longueur d’onde, c’est-à-dire de couleur, d’une lumière de sonde sont souvent mesurés après interaction avec un échantillon. L’étude de ces changements est l’une des méthodes clés pour mieux comprendre les propriétés des matériaux jusqu’au niveau atomique. Ses applications vont des observations astronomiques et des études de matériaux aux recherches fondamentales sur les atomes et les molécules.
L’équipe de recherche a démontré une nouvelle méthode spectroscopique qui a le potentiel d’accélérer les mesures à des taux de lecture impossibles avec les schémas conventionnels. Les résultats sont maintenant publiés dans la prestigieuse revue OPTIQUE.
Les mesures spectroscopiques reposent généralement sur la séparation des différentes composantes de couleur en différentes positions, où le spectre peut ensuite être lu par un réseau de détecteurs similaire à une puce de caméra. Bien que cette approche permette une inspection directe du spectre, elle est plutôt lente en raison de la vitesse limitée du grand réseau de lecture. La nouvelle méthode mise en œuvre par les chercheurs contourne cette restriction en générant un état de lumière laser plus complexe et permettant ainsi un schéma de mesures plus rapide.
Notre travail montre un moyen simple d’avoir des polarisations différentes pour toutes les composantes de couleur du laser. En utilisant cette lumière comme sonde, nous pouvons simplement mesurer la polarisation pour obtenir des informations sur les changements dans le spectre des couleurs », explique la doctorante Lea Kopf, auteure principale de l’étude.
L’astuce utilisée par les chercheurs consiste à effectuer une modulation dans le domaine temporel en divisant de manière cohérente une impulsion femtoseconde d’un laser en deux parties – chacune ayant une polarisation différente légèrement retardée dans le temps l’une par rapport à l’autre.
« Une telle modulation peut facilement être effectuée à l’aide d’un cristal de biréfringence, où la lumière différemment polarisée se déplace à différentes vitesses. Cela conduit à la polarisation spectrale changeante requise pour notre méthode », décrit le professeur agrégé Robert Fickler, qui dirige le groupe d’optique quantique expérimentale dans lequel l’expérience a été réalisée.
Les mesures spectroscopiques à grande vitesse ouvrent de nouvelles possibilités
Les chercheurs n’ont pas seulement démontré comment de tels états de lumière complexes peuvent être générés en laboratoire ; ils ont également testé leur application dans la reconstruction des changements spectraux en utilisant uniquement l’analyse de polarisation. Ce dernier ne nécessitant que jusqu’à quatre mesures d’intensité simultanées, quelques photodiodes très rapides peuvent être utilisées.
En utilisant cette approche, les chercheurs peuvent déterminer l’effet des modulations à bande étroite du spectre avec une précision comparable aux spectromètres standard mais à grande vitesse.
« Cependant, nous ne pouvions pas pousser notre schéma de mesure à ses limites en termes de taux de lecture possibles, car nous sommes limités par la vitesse de notre schéma de modulation à quelques millions d’échantillons par seconde », poursuit Lea Kopf.
Sur la base de ces résultats initiaux prometteurs, les tâches futures incluront d’appliquer l’idée à une lumière à plus large bande, telle que les sources lumineuses supercontinuum, et d’appliquer le schéma aux mesures spectroscopiques d’échantillons variant naturellement rapidement pour utiliser tout son potentiel.
« Nous sommes heureux que notre intérêt fondamental pour la structuration de la lumière de différentes manières ait maintenant trouvé une nouvelle direction, ce qui semble être utile pour les tâches de spectroscopie qui ne sont généralement pas notre objectif. En tant que groupe d’optique quantique, nous avons déjà commencé à discuter de la manière d’appliquer et de tirer parti de ces idées dans nos expériences de photonique quantique », ajoute Robert Fickler.
Référence : « Spectral vector beams for high-speed spectroscopic mesures » par Lea Kopf, Juan R. Deop Ruano, Markus Hiekkamäki, Timo Stolt, Mikko J. Huttunen, Frédéric Bouchard et Robert Fickler, 17 juin 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.424960
