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Une première : une source laser directement polarisée

ActualitéClassé sous :physique , Federico Capasso , Nanfang Yu

Une source de lumière laser polarisée, compacte et contrôlable à volonté serait du plus haut intérêt aussi bien en cryptographie quantique qu'en biophysique pour l'identification de certaines biomolécules. Ce rêve vient d'être réalisé par un groupe de physiciens japonais et américains.

Une représentation d'artiste de lasers à cascade quantique équipés d'un polariseur plasmonique permettant de générer à volonté des faisceaux polarisés linéairement ou circulairement. Crédit : Laboratory of Federico Capasso, Harvard School of Engineering and Applied Sciences

Federico Capasso est un spécialiste des lasers et du célèbre effet Casimir. Avec son étudiant en thèse, Nanfang Yu, ses collègues de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et en collaboration avec des chercheurs de Hamamatsu Photonics, ce physicien vient de présenter dans la revue Applied Physics Letters des résultats intéressants sur la manière de produire une source laser de lumière polarisée.

Depuis les travaux de pionniers comme Malus, Arago et Fresnel, la nature de la polarisation de la lumière a été bien comprise et les chercheurs l'emploient aujourd'hui dans de nombreux domaines, en minéralogie pour l'observation fine au microscope des minéraux des roches volcaniques, pour détecter les champs magnétiques dans les galaxies grâce à l'effet Faraday ou en chimie lorsqu'on étudie les propriétés optiques des molécules.

On obtient des sources de lumière polarisée en faisant passer de la lumière à travers des filtres polarisants, comme les fameux polaroïds, ou les prismes de Wollaston, exploitant le phénomène de biréfringence. La polarisation est liée à la direction d'oscillation dans l'espace du vecteur champ électrique, perpendiculaire à la direction de propagation d'une onde électromagnétique. Lorsque celle-ci est stable on parle de direction de polarisation linéaire et lorsque le vecteur décrit un cercle selon un certaine fréquence et dans un certain sens, on parle de polarisation circulaire gauche ou droite.

A gauche, Federico Capasso, à droite Nanfang Yu de l'université de Harvard. Credit : Eliza Grinnell, Harvard School of Engineering and Applied Sciences

De  son côté, la lumière laser est de plus en plus présente dans les expériences d'optique en raison de sa grande cohérence, sa stabilité et sa facilité d'utilisation pour des mesures précises. Beaucoup de dispositifs de métrologie ou d'expériences en physique quantique, comme celles portant sur l'effet EPR, utilisent la lumière laser. Une source de lumière laser polarisée compacte serait donc du plus haut intérêt pour de nombreuses applications, par exemple la cryptographie quantique.

Plutôt que de chercher à réaliser un encombrant dispositif qui serait constitué d'un laser et d'un système polarisation distincts, le groupe réuni autour de Federico Capasso a réussi à intégrer directement un polariseur sur la face d'une source laser à semi-conducteur, un laser à cascade quantique. On peut ainsi directement concevoir et contrôler à volonté une source laser de lumière polarisée. Mieux, ce genre de dispositif fonctionne sur une large bande de fréquences, de l'infrarouge moyen au domaine des térahertz, et permet d'obtenir aussi bien de la lumière polarisée circulairement que linéairement.

Facile à mettre en œuvre, une telle source ne devrait pas tarder à envahir les laboratoires et l'industrie. Les chercheurs ont d'ailleurs déposé un brevet pour protéger leur invention.

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