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Une nouvelle approche élargit l’application des impulsions laser puissantes et ultrarapides.
Des éclats rapides de lumière laser, d’une durée inférieure à un trillionième de seconde, sont utilisés dans toute une série d’applications aujourd’hui. Ces impulsions laser ultrabrèves ont permis aux scientifiques d’observer des réactions chimiques en temps réel, d’obtenir des images d’échantillons biologiques délicats, de construire des nanostructures précises et d’envoyer des communications optiques longue distance à haut débit.
Mais toute application d’impulsions laser ultracourtes dans le spectre visible doit surmonter une difficulté fondamentale : la lumière rouge se déplace plus rapidement que la lumière bleue à travers des matériaux transparents comme le verre. Ainsi, lorsqu’une impulsion laser ultracourte traverse une lentille de verre, les longueurs d’onde de la lumière, très proches les unes des autres, se séparent, détruisant l’utilité du faisceau.
Ce problème de dispersion chromatique tourmente les chercheurs en optique depuis des décennies. Aujourd’hui, la plupart des solutions impliquent des composants supplémentaires qui augmentent la taille et l’encombrement des dispositifs optiques.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec l’Université de technologie de Graz, ont mis au point un revêtement en silicium qui, lorsqu’il est appliqué à la surface d’une lentille en verre, peut contrecarrer les effets de la dispersion.
La recherche est publiée dans Nature Communications.
Image au microscope électronique à balayage du compresseur avec un diamètre de nanopiliers de 158 nm. Crédit : Harvard SEAS
“Notre approche flexible peut être rapidement mise en œuvre dans des montages optiques et optiques conventionnels et être adaptée à différentes régions spectrales et applications”, a déclaré Federico Capasso, professeur de physique appliquée Robert Wallace et chercheur principal en génie électrique Vinton Hayes au SEAS et auteur principal de l’étude.
Le revêtement ultra-mince utilise des piliers de silicium conçus avec précision qui capturent et retiennent brièvement la lumière rouge avant de la réémettre. Cette retenue temporaire permet à la lumière bleue, qui se déplace plus lentement, de rattraper son retard.
“Notre revêtement contrecarre les effets dispersifs des matériaux transparents, en agissant comme un ralentisseur pour la lumière rouge et en faisant la moyenne de la vitesse de chaque longueur d’onde de la lumière”, a déclaré Marcus Ossiander, chercheur postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’article.
Les chercheurs ont testé le revêtement en raccourcissant les impulsions laser à seulement quelques quadrillionièmes de seconde. Le revêtement de silicium nanopillaire a été fabriqué à l’aide des mêmes outils de lithographie commerciaux que les semi-conducteurs industriels, ce qui facilite l’application rapide de ces revêtements aux composants optiques existants et élargit l’applicabilité des impulsions laser femtosecondes.
“Maintenant, n’importe qui peut acheter une lentille, mettre le revêtement et utiliser la lentille sans se soucier de la dispersion”, a déclaré Ossiander. “Cette approche peut être la base d’un ensemble d’optiques anti ou non dispersives”.
Référence : “Nanocoatings à lumière lente pour la compression d’impulsions ultra-courtes” par M. Ossiander, Y.-W. Huang, W. T. Chen, Z. Wang, X. Yin, Y. A. Ibrahim, M. Schultze et F. Capasso, 11 novembre 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-26920-6
Cette recherche a été co-écrite par Y. W. Huang, W.T. Chen, Z. Wang, X. Yin, Y. A. Ibrahim et M. Schultze. Il a été soutenu en partie par l’Office of Naval Research (ONR), dans le cadre du programme MURI, subvention no. N00014-20-1-2450, par l’Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), sous la subvention no. FA95550-19-1-0135 et le Center for Nanoscale Systems (CNS), un membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI), qui est soutenu par la NSF sous la bourse no. ECCS-2025158.
