Modulateur de lumière universel : architecture laser révolutionnaire pour un contrôle précis de la matière

• Des chercheurs développent une nouvelle architecture laser nommée modulateur de lumière universel pour sonder et contrôler la matière.
• Ce pourrait être un point de bascule pour toutes les applications photoniques majeures nécessitant une haute puissance.

Les lasers sont utilisés à de multiples fins, notamment l'alignement de matériaux, le pointage d'objets lors de présentations, et par les médecins pour des procédures cosmétiques et chirurgicales. De nombreuses choses que vous voyez dans votre vie quotidienne sont basées sur les technologies laser, telles que les scanners de codes-barres, les lecteurs de disques optiques, la fibre optique, la découpe et le soudage de matériaux, les affichages laser dans le divertissement, et plus encore.

Les lasers ont des capacités incroyables pour piloter, contrôler et sonder la matière avec précision en utilisant différentes méthodologies. Bien qu'ils fonctionnent principalement en coulisses, les lasers sont la colonne vertébrale de la science et de la technologie avancées. En 2018, le prix Nobel de physique a été décerné à une technologie laser révolutionnaire, les Pinces Optiques, une technique pour piéger des nanoparticules entre deux faisceaux laser.

Récemment, des chercheurs du Laboratoire national d'accélérateur SLAC et de l'Université Stanford ont développé une nouvelle architecture laser pour sonder et contrôler la matière. Ils l'appellent le modulateur de lumière universel.

Le laser peut incorporer des structures sophistiquées

Puisque le laser émet de la lumière de manière cohérente, il peut incarner une structure bien plus complexe que toute autre source de lumière en termes d'intensité et de distribution électromagnétique. Par exemple, il pourrait avoir des distributions d'intensité tridimensionnelles uniques (un filtre optique ou un cône gaufré), ou des faisceaux vectoriels cylindriques.

En raison de ces capacités, le modulateur de lumière universel a le potentiel d'ouvrir de nouvelles portes pour les applications avancées de la photonique. Actuellement, il n'existe pas de nombreuses méthodes fiables pour produire des structures lumineuses complexes, ce qui rend difficile l'exploitation de la capacité de programmer ou d'ingénier de telles structures.

Référence : The Optical Society

Cela n'est fait que par des instruments externes comme les modulateurs de lumière spatiale utilisés dans les projecteurs. Cependant, ces instruments présentent des limitations de puissance de crête et de puissance moyenne, et ils peuvent facilement casser sans atteindre les applications nécessitant des niveaux de puissance significatifs.

La nouvelle architecture laser contourne cette limitation de puissance sans affecter la capacité à produire des structures lumineuses arbitraires. Les chercheurs ont développé une fonctionnalité innovante pour intégrer l'ingénierie des faisceaux dans l'architecture laser elle-même. Cela répond aux deux exigences principales : structure lumineuse et mise à l'échelle de la puissance.

Façonnage de faisceau avec la nouvelle architecture laser | Greg Stewart / SLAC

Ils ont utilisé des faisceaux composites pour construire ces impulsions lumineuses programmables. Vous pouvez l'imaginer comme un faisceau laser composé de plusieurs faisceaux plus courts en forme de nid d'abeille, chacun pouvant être contrôlé indépendamment, malgré le fait qu'ils soient tous cohérents les uns par rapport aux autres.

Ils peuvent « divulguer » des informations les uns aux autres, y compris leur état et leur relation respective. Si tous les faisceaux sont synchronisés, ensemble, ils peuvent produire n'importe quelle structure.

Applications

Le modulateur de lumière universel est extrêmement précieux dans les systèmes ultrarapides (à l'échelle de la femtoseconde et même plus courte) : il peut donner lieu à une toute nouvelle façon de penser comment des lumières avec des structures sophistiquées peuvent être utilisées pour piloter des entreprises technologiques. Ce pourrait être un point de bascule pour toutes les applications photoniques majeures nécessitant une haute puissance, l'usinage micro-nano, le piégeage optique, les télécommunications par fibre optique et les sciences des protons ultrarapides.

Les chercheurs essaient maintenant d'utiliser ces sources lumineuses pour contrôler des faisceaux d'électrons voyageant à la vitesse de la lumière. Cela les aiderait à créer de nouveaux types de sources de rayons X et d'électrons, et à imprimer la structure lumineuse sur les rayons X et les électrons.

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Ils prévoient également d'explorer de nombreux efforts parallèles. La toute première chose est d'intégrer plus de faisceaux et d'améliorer le modulateur pour une puissance bien plus élevée. Deuxièmement, ils examineront comment convertir des faisceaux de femtosecondes en d'autres longueurs d'onde en utilisant des méthodes de conversion non linéaires, ce qui produirait de la lumière structurée avec une composition hyperspectrale et une auto-synchronisation naturelle, ou avec plusieurs couleurs.