Spectral Shaper sculpte 10 000 lignes de peigne laser pour la détection des exoplanètes et au-delà

Les chercheurs ont développé une nouvelle technologie capable de façonner le spectre de la lumière émise par un peigne de fréquence laser sur les longueurs d’onde du visible et du proche infrarouge avec plus de précision qu’auparavant. Cette avancée pourrait constituer un nouvel outil important dans la recherche de planètes semblables à la Terre en dehors de notre système solaire.

Lors de la recherche d’exoplanètes, les astronomes utilisent la spectroscopie de haute précision pour détecter de minuscules changements dans la lumière des étoiles qui révèlent le subtil « oscillation » d’une étoile dû à une planète en orbite. Mais pour les planètes de la taille de la Terre, ces changements de longueur d’onde sont inférieurs aux instabilités naturelles du spectrographe. Des peignes de fréquence laser (des lasers qui émettent des milliers de raies spectrales régulièrement espacées) sont donc nécessaires pour fournir une référence, agissant comme des règles de longueur d’onde précises.

“Pour les astronomes, le grand défi serait de trouver une planète avec une masse similaire à la Terre et en orbite autour d’une étoile similaire à notre soleil”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche, Derryck T. Reid, de l’Université Heriot-Watt au Royaume-Uni. “Notre façonneur spectral peut rendre les lignes d’un peigne de fréquence laser plus uniformes, ce qui permet au spectrographe de détecter des mouvements stellaires plus petits, tels que ceux de planètes semblables à la Terre, qui autrement seraient cachés dans le bruit.”

Dans leur article publié dans Optiqueles chercheurs montrent qu’en utilisant leur nouvelle méthode de mise en forme spectrale avec un spectrographe astronomique en laboratoire, ils peuvent contrôler avec précision 10 000 lignes de lumière individuelles, soit une performance environ 10 fois supérieure à celle des approches précédentes.

“Bien qu’il existe une application immédiate dans l’instrumentation d’astronomie, les façonneurs spectraux sont des outils polyvalents”, a déclaré Reid. “Cette technologie pourrait également bénéficier à des domaines tels que les télécommunications, l’optique quantique et les radars avancés, où un contrôle précis de la forme de la lumière sur de larges bandes passantes peut améliorer la fidélité du signal, permettre un transfert de données plus rapide et améliorer la manipulation des états quantiques.”

Façonner le spectre

Les modeleurs spectraux sont utilisés pour affiner la lumière afin de produire des caractéristiques spectrales définies avec précision. Par exemple, si une source de lumière avait plus d’intensité dans la partie rouge du spectre à longueur d’onde plus longue, un façonneur spectral pourrait être utilisé pour atténuer ces longueurs d’onde afin de produire un spectre avec une distribution de puissance plus équilibrée.

Ce type de mise en forme spectrale pourrait, par exemple, être réalisé à l’aide d’un prisme qui divise la lumière blanche en différentes longueurs d’onde le long d’une ligne, formant ainsi un spectre unique. Cependant, ce spectre de raies unidimensionnelles ne correspond pas bien à la grille bidimensionnelle de pixels dans un modulateur spatial de lumière. Les modulateurs spatiaux de lumière permettent un contrôle programmable pixel par pixel de l’intensité et de la phase de la lumière sur tout le spectre, permettant ainsi une mise en forme haute résolution de sources complexes telles que des peignes de fréquence laser, où chaque mode peut être ajusté indépendamment.

“Pour notre façonneur spectral, nous nous sommes inspirés des spectrographes astronomiques des grands télescopes, qui divisent le spectre de la lumière en plusieurs rangées, un format qui permet une utilisation plus efficace des capteurs de caméra bidimensionnelles haute résolution”, a déclaré Reid. “En remplaçant la caméra généralement utilisée dans les spectrographes par un modulateur spatial de lumière, nous pourrions contrôler le spectre de la lumière sur une large bande passante de manière beaucoup plus précise que jamais.”

En mappant chaque ligne de peigne de fréquence sur un groupe unique de pixels, les chercheurs ont pu contrôler chaque ligne indépendamment, leur donnant ainsi la possibilité de sculpter le spectre selon la forme de leur choix.

Contrôle de fréquence de niveau supérieur

Comme il n’était pas possible de développer la technologie sur un véritable spectrographe astronomique basé sur un télescope, les chercheurs en ont construit une version dans leur laboratoire. Ils ont écrit un algorithme qui comparait le spectre mesuré à une forme cible choisie, puis ajustaient le modulateur spatial de lumière jusqu’à ce qu’il corresponde.

Ils ont testé la capacité du façonneur spectral à façonner le spectre selon différents modèles, notamment en aplatissant ou en isolant différentes lignes de peigne. À des fins de démonstration, ils ont également programmé diverses photos comme formes de cibles sur le spectrographe bidimensionnel, mappant les pixels de chaque photo sur des lignes de peigne laser individuelles.

Ces expériences ont montré qu’ils pouvaient réaliser un contrôle précis de l’amplitude de 10 000 modes de peigne (les « dents » du peigne de fréquence) s’étendant de 580 à 950 nm, avec un rapport bande passante/résolution dépassant 20 000. À titre de comparaison, des démonstrations précédentes de modulation ligne par ligne faisaient état du contrôle de centaines de modes en peigne, avec des rapports bande passante/résolution de quelques milliers.

L’équipe travaille actuellement à tester le façonneur spectral au sein du Grand télescope d’Afrique australe, où elle évaluera ses performances lors d’observations réelles.