Le nouveau laser électro-optique émet 30 milliards d'impulsions par seconde

• Le nouveau laser électro-optique est 100 fois plus rapide que la lumière laser ultrarapide conventionnelle.
• Le système est fiable et produit des impulsions précises et stables à 30 GHz.
• Il peut être utilisé en imagerie biologique/chimique et pour mettre en œuvre des réseaux de communication plus rapides.

Les lasers ultrarapides génèrent une série d'impulsions lumineuses qui durent jusqu'à quelques femtosecondes. Ils peuvent fonctionner comme des peignes de fréquence pour fournir une référence de fréquence et de temps reliant les domaines micro-ondes et optique du spectre électromagnétique.

Étant donné que la phase de ces impulsions peut être contrôlée, il a une variété d'applications allant du pilotage des états quantiques de la matière aux horloges atomiques optiques. Bien que les capacités des lasers ultrarapides se soient améliorées au fil des années, ils ont besoin d'une stabilité intégrale du résonateur à mode verrouillé.

Désormais, les chercheurs du National Institute of Standards and Technology ont proposé une approche alternative qui génère une série d'impulsions optiques sans verrouillage de mode. Ils l'appellent un laser électro-optique qui émet des effets positifs 100 fois plus rapides que le laser ultrarapide traditionnel. Fondamentalement, il s'agit de la modulation électro-optique d'un laser développé avec une électronique commune.

En quoi est-ce différent des lasers ultrarapides ?

Bien que l'idée de construire une électro-optique soit assez simple et que la technologie existe depuis près de 50 ans, les scientifiques n'ont pas été en mesure de changer la lumière pour émettre des impulsions ultrarapides tout en éliminant les interférences électroniques.

Habituellement, la méthode de verrouillage de mode consiste à faire rebondir la lumière dans une cavité en miroir de manière à ce que les ondes interfèrent de manière constructive les unes avec les autres pour produire de courtes impulsions. Cependant, la nouvelle technique fonctionne sur un mécanisme de force plus brutal :elle découpe un faisceau laser continu en impulsions séparées, réduisant ainsi les interférences induites par la chaleur.

Lorsque les signaux rebondissent à l'intérieur de la cavité, des ondes fixes apparaissent aux fréquences les plus élevées, bloquant toutes les autres fréquences. La stabilisation et la filtration du signal sont effectuées dans cette cavité.

Plus précisément, ils ont utilisé un laser infrarouge (émettant une onde continue) pour générer des impulsions avec un oscillateur stabilisé par une cavité personnalisée. Toutes les impulsions sont uniformes et passent à travers une structure de guide d'ondes à micropuce pour produire différentes couleurs dans le peigne de fréquence.

Référence :ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST 

Un peigne de fréquence optique est utilisé comme source dans la lumière ultrarapide traditionnelle. De tels peignes sont construits avec des lasers à mode verrouillé qui créent des impulsions à partir de plusieurs couleurs d'ondes lumineuses se chevauchant et formant des liens entre les fréquences micro-ondes et optiques. Le laser électro-optique, quant à lui, applique des vibrations électroniques sur un laser infrarouge, façonnant efficacement les impulsions dans la lumière.

Le laser électro-optique isole la lumière de fréquences particulières pour former un peigne de fréquences de différentes couleurs | David Carlson/NIST

Les lasers à mode verrouillé génèrent des impulsions toutes les 10 nanosecondes, tandis que le laser électro-optique ne prend que 100 picosecondes pour générer une impulsion (100 fois plus rapide).

Applications

Pour construire le laser électro-optique, les chercheurs ont choisi d'utiliser uniquement des instruments à micro-ondes et de télécommunications disponibles dans le commerce. Cela rend le système plus fiable. De plus, sa stabilité et sa précision sont assez décentes, ce qui le rend adapté aux systèmes de communication plus rapides et à la mesure à long terme des réseaux d'horloge optique.

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De plus, ce type de laser peut être utilisé en imagerie biologique et chimique pour accélérer des types spécifiques d'imagerie tissulaire/chimique. Par exemple, une imagerie hyperspectrale qui prend généralement une minute pourrait être réalisée en temps réel.