Une équipe de recherche utilise un laser accordable pour développer une méthode de spectroscopie à large bande simple avec une précision de l’ordre du Hz

Depuis la première démonstration du laser dans les années 1960, la spectroscopie laser est devenue un outil essentiel pour étudier les structures détaillées et la dynamique des atomes et des molécules. Les progrès de la technologie laser ont encore amélioré ses capacités. Il existe deux principaux types de spectroscopie laser : la spectroscopie laser à peigne de fréquence et la spectroscopie laser à onde continue accordable (CW).

La spectroscopie laser à peigne permet des mesures de fréquence extrêmement précises, avec une précision allant jusqu’à 18 chiffres. Cette précision remarquable a valu à l’entreprise un prix Nobel de physique en 2005 et trouve des applications dans les horloges optiques, la détection de la gravité et la recherche de matière noire. Les peignes de fréquence permettent également une spectroscopie à large bande de haute précision et à grande vitesse, car ils combinent une large bande passante avec une résolution spectrale élevée.

Cependant, la faible puissance par mode peigne constitue un inconvénient, ce qui rend la détection des traces de gaz difficile. Les écarts entre les modes peigne nécessitent également des techniques supplémentaires pour mesurer des caractéristiques spectrales étroites. De plus, les mesures de haute précision nécessitent des sources peigne à cohérence à long terme, ce qui exige des systèmes de stabilisation complexes et sophistiqués.

Les lasers CW accordables offrent un flux de photons élevé, de longs chemins d’interaction et une agilité de fréquence, ce qui les rend idéaux pour la spectroscopie moléculaire sensible, la détection de gaz et les applications LIDAR avec des rapports signal/bruit (SNR) élevés. Cependant, ces systèmes souffrent souvent de fluctuations dans la vitesse de balayage de la fréquence laser.

Diverses méthodes, dont des approches interférométriques, une modulation à bande latérale unique et des peignes de fréquence optique, ont été développées pour traiter ces fluctuations. La spectroscopie laser accordable calibrée par peigne de fréquence combine la précision d’un peigne de fréquence avec la syntonisation et la puissance élevée d’un laser CW. Néanmoins, cette méthode nécessite un peigne de fréquence de référence avec un spectre optique plat et une polarisation stable sur une large plage, ce qui peut être difficile à obtenir.

Des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière ont développé une nouvelle méthode de spectroscopie à large bande simple et précise au niveau du Hz, utilisant un laser accordable.

Comme indiqué dans Photonique avancéecette technique implique l’étalonnage à la volée de la fréquence laser à l’aide d’une cavité à fibre et d’une technique de modulation à double radiofréquence (RF). Cette approche permet le suivi précis de la couleur du laser de balayage à chaque instant. Elle fournit des marqueurs d’étalonnage qui servent de règle de fréquence optique facile à utiliser afin de mesurer les distances de fréquence optique entre les caractéristiques spectrales avec une précision ultra-élevée.

Grâce à cette méthode, les chercheurs ont mesuré des écarts minuscules dans la gamme spectrale libre d’une cavité en boucle de fibre sur une gamme de fréquences de 11 THz avec une précision inférieure à 10 Hz, soit une amélioration d’un ordre de grandeur par rapport aux méthodes de spectroscopie laser accordable existantes. La vitesse de mesure était de 1 THz/s, limitée par la largeur de ligne de la cavité de référence. Par rapport à la spectroscopie basée sur un peigne de fréquence, cette technique offre une puissance de sonde optique plus élevée et une meilleure planéité spectrale et stabilité de polarisation.

La nouvelle méthode a également été utilisée pour caractériser les caractéristiques spectrales des dispositifs photoniques intégrés tels que les microrésonateurs, et pour mesurer le spectre d’absorption moléculaire du gaz HF avec une précision améliorée de deux ordres de grandeur par rapport aux méthodes existantes. Cette méthode robuste et simple ne nécessite pas de verrouillage de mode ou de phase, ce qui la rend adaptée aux applications hors laboratoire, notamment les systèmes LIDAR, l’imagerie 3D, la détection de traces de gaz à trajectoire ouverte, la caractérisation des dispositifs photoniques et l’étalonnage des spectromètres astrophysiques. Sa simplicité et sa robustesse en font un excellent choix pour une utilisation dans des environnements difficiles.