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Miroirs ultra-minces pour lasers passe-partout

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Au cœur d'un laser, il y a des miroirs. Une équipe vient de trouver une astuce pour les rendre plus fins : utiliser... de l'air. Vingt fois moins épais que les miroirs actuels, ils réduiraient la taille et amélioreraient les performances des têtes de lecture de disques optiques, des lasers de souris sans fil, des réseaux locaux en fibres optiques voire des écrans souples.

Pour améliorer la réflexion, la couche d'arséniure de gallium et d'aluminium, des sillons parallèles sont creusés dans le réflecteur. Leur longueur d'onde est inférieure à celle de la longueur d'onde réfléchie. Crédit : Michael Huang, UC Berkeley.

Avant de former le faisceau laser, la lumière doit être réfléchie plusieurs fois entre deux miroirs parallèles. Leur qualité doit impérativement être excellente : il faut une réflexion d'au moins 99,5 %. Leur conception occupe beaucoup les physiciens depuis des années, qui essaient de trouver les matériaux les plus efficaces, les moins onéreux et... les moins encombrants. Une équipe de l'université de Berkeley (Etats-Unis) vient d'annoncer dans Nature Photonics un miroir vingt fois plus fin que ceux utilisés aujourd'hui.

Le laser mis point par cette équipe est de type VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser), ou laser à émission de surface. Particulièrement compact, ce genre de laser est utilisé dans des réseaux à fibres optiques ou encore dans les meilleures souris optiques, où il remplace la diode électroluminescente, moins précise.

Les miroirs de ces lasers sont composés de plusieurs couches d'indices de réfraction différents, pour obtenir une réflexion sélective (selon la longueur d'onde), dite de Bragg. Pour réaliser ces réflecteurs DBR (Distributed Bragg Reflector), on alterne des couches d'arséniure de gallium (indice de réfraction 3,6) et d'arséniure mixte de gallium et d'aluminium (indice 3). Au total, l'épaisseur atteint plusieurs micromètres.

Coussin d'air

Connie J. Chang-Hasnain et son équipe, eux, n'installent qu'une seule couche (d'arséniure mixte de gallium et d'aluminium). L'astuce consiste à utiliser l'air (indice 1) pour obtenir une réflexion sélective. La couche d'arséniure est de plus gravée de sillons, dont la largeur est inférieure à la longueur d'onde de la lumière produite. Leur réflecteur baptisé HCG (high-index contrast sub-wavelength grating) renvoie 99,9 % de la lumière et a donc les performances suffisantes pour en faire un bon laser. Les auteurs pensent que l'on pourrait aussi remplacer l'air par une couche de dioxyde silicium (indice 1,5).


A droite, un miroir pour laser VCSEL, composé de couches alternées d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium et d'aluminium. Epaisseur : 5 ,5 micromètres (millièmes de millimètre). A gauche, un réflecteur bicouche, la seconde couche étant simplement constituée d'air. Epaisseur : 0,23 micromètre. Crédit : Michael Huang, UC Berkeley.

En plus d'être fin, ce réflecteur HCG a la caractéristique de conserver son pouvoir réfléchissant sur une large gamme de longueurs d'onde, une qualité très appréciée des physiciens. En élevant la fréquence, par exemple, on focalise mieux le rayon et on augmente la densité d'informations sur des disques optiques. C'est d'ailleurs ainsi que l'on a augmenté leur capacité en passant du CD (à laser inrafrouge, longueur d'onde 780 nanomètres) au DVD (orange, 650 nm) puis aux Blu-Ray et HD-DVD (bleu, 405 nm). Les réflecteurs HCG sont déjà envisagés pour les lasers réglables (dont on peut ajuster la fréquence), utilisés aujourd'hui dans les communications.

Mais d'innombrables applications peuvent être imaginées dans de nombreux domaines, diodes électroluminescentes, capteurs, systèmes micro-électromécaniques, informatique, télécommunications, etc. Les chercheurs expliquent que de tels lasers ultra-fins pourraient être installés sur les supports les plus variés, et d'imaginer des écrans sur des feuilles de plastique souple, que l'on enroulerait pour mieux les transporter.