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La spectroscopie moléculaire ou molecular fingerprinting utilise un laserlaser dans une certaine portion du spectrespectre électromagnétique ; la comparaison du rayon avant et après la traversée d'un échantillon permet de connaître les longueurs d'ondeslongueurs d'ondes absorbées et donc la composition moléculaire de l'échantillon. Les radiations en moyen infrarougeinfrarouge de 2 à 25 µm peuvent stimuler la plupart des vibrationsvibrations moléculaires.
Or, aucun laser actuellement existant ne peut émettre de la lumière à travers un large éventail de longueur d'ondes du moyen infrarouge (mid-infrared ou MirMir). Les appareils existants utilisent des cristaux non linéaires pour transformer des radiations aux longueurs d'ondes plus courtes, du proche infrarouge (Nir ou near-infrared), en longueurs d'ondes plus longues.
Mais, dans un article paru dans Nature Photonics, des chercheurs présentent un nouvel appareil compact qui produit des pulsations avec une puissance de 0,1 W pour une couverture spectrale de 6,8 à 16,4 µm. Ioachim Pupeza de l'Institut Max PlanckMax Planck, près de Munich, et ses collègues ont créé ce système avec un type différent de cristaux non linéaires.
Les scientifiques ont créé un nouveau système de laser qui émet 100 millions de pulsations de lumière infrarouge par seconde. © Thorsten Naeser
Un oscillateur combiné à un cristal non linéaire
Le principe de l'appareil est le suivant : une radiation Nir est créée dans un « oscillateur » laser femtosecondefemtoseconde dans lequel le milieu actif est un disque formé d'un matériaumatériau dopé à l'ytterbium ; la lumièrelumière provenant de l'oscillateur est comprimée en pulsations de 20 femtosecondes (2.10-14 s) et convertie en Mir avec un cristal non linéaire formé de sulfuresulfure de |f9ef798122df76a9d2a4b5e06ac5b35a|-galliumgallium. « Outre le développement de l'oscillateur, le choix du milieu non linéaire était crucial », explique Ioachim Pupeza. En effet, la difficulté était de trouver un cristal qui remplissait les conditions requises.
Une autre caractéristique du nouveau laser est sa cohérence spatiale, qui augmente la distance sur laquelle le rayon peut voyager dans un échantillon sans pertes significatives : ceci accroît la sensibilité pour des moléculesmolécules à faible concentration. De plus, le rayon présente une cohérence de phase : le champ électriquechamp électrique de ses pulsations ultracourtes est identique d'une pulsation à une autre. Le prototype occupe un espace d'environ 2 m2.
Le nouveau laser pourrait servir à détecter et identifier de petites quantités de molécules présentes dans des liquidesliquides ou des gazgaz. Il a été créé pour une applicationapplication particulière : la détection de marqueurs de maladies, présents à de très faibles concentrations par exemple dans l'haleine humaine. Une source de lumière intense est nécessaire pour détecter de telles molécules. En effet, l'airair expiré peut contenir des molécules organiques spécifiques de certaines maladies, comme des cancers. Le nouveau laser, compact, pourrait être installé dans un hôpital et « faciliter la collecte standardisée des empreintes moléculaires spécifiques des maladies ». D'autres applications pourraient voir le jour pour la détection des explosifs ou le suivi de la qualité de l'air.
