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Un nouveau mode de diffusion de la lumière dans des fibres optiques

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Des chercheurs de l'institut Femto-ST, en collaboration avec des collègues du laboratoire Charles Fabry, viennent de découvrir un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques, 50 fois plus fines qu'un cheveu ! Ce phénomène, qui varie selon l'environnement de la fibre, pourrait être exploité pour concevoir des capteurs innovants et ultra-sensibles.

Un faisceau laser rouge (hélium néon) passe dans une microfibre optique dont le diamètre fait un micromètre. La fibre est encapsulée dans un système étanche, pour éviter qu’elle s’oxyde ou casse. © Thibaut Sylvestre, Institut Femto-ST, CNRS

Les microfibres optiques sont des fibres de verre effilées 50 fois plus fines qu'un cheveu, au diamètre proche, voire inférieur au micromètre (un millième de millimètre). Pour produire ces minuscules objets, des chercheurs du laboratoire Charles Fabry (CNRS, Institut d'Optique Graduate School) ont chauffé et étiré des fibres optiques utilisées pour les télécommunications et mesurant 125 micromètres de diamètre. La suite de l'étude s'est déroulée à l'institut Femto-ST (CNRS, UFC, UTBM, ENSMM), à Besançon. En injectant un faisceau laser dans ces fines mèches de verre, des scientifiques du CNRS ont observé, pour la première fois, un nouveau mode de diffusion Brillouin, (c'est-à-dire une diffusion « inélastique » de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu). Cette découverte a ensuite été confirmée par une simulation informatique, qui a permis de vérifier le mécanisme physique en jeu.

Comme le diamètre des fibres employées est inférieur à la longueur d'onde de la lumière utilisée (1,5 micromètre, dans l'infrarouge), celle-ci y est extrêmement confinée. Sur son trajet, la lumière fait vibrer de manière infime le matériau, déplaçant la matière de quelques nanomètres (ou millionièmes de millimètre). Cette déformation se manifeste par une onde acoustique qui se déplace à la surface de la fibre à 3.400 mètres par seconde, d'après les résultats des chercheurs. En retour, l'onde agit sur la propagation de la lumière : une partie du rayonnement lumineux est renvoyée en sens inverse et avec une longueur d'onde différente.

Un faisceau laser (émettant à la longueur d’onde de 600 nanomètres) est guidé dans une microfibre optique. © Thibaut Sylvestre, Institut Femto-ST, CNRS

Des microfibres pour des capteurs optiques ultrasensibles

Ce phénomène n'avait jamais été observé jusqu'ici car il se produit uniquement lorsque la lumière est confinée dans une fibre plus fine que sa longueur d'onde. En effet, dans une fibre optique standard, la lumière se propage essentiellement dans le cœur de la fibre (d'un diamètre de 10 micromètres). Par conséquent, elle ne génère pas d'ondes de surface.

Comme elles se déplacent à la surface des microfibres, les ondes générées par le confinement de la lumière sont sensibles aux facteurs de l'environnement, tels que la température, la pression ou le gaz ambiant. Cela ouvre la voie à la conception de capteurs optiques très sensibles et très compacts pour l'industrie. Ces résultats contribuent également à approfondir nos connaissances sur les interactions fondamentales entre la lumière et le son, à l'échelle de l'infiniment petit. Ces travaux ont été publiés le 24 octobre 2014 dans la revue Nature Communications.

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