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Une nouvelle source de lumière infrarouge grâce à des cascades de fibres optiques

Des scientifiques de l’institut FEMTO-ST et de l'Université McGill (Montréal, Canada) ont conçu et développé en collaboration avec trois sociétés françaises une source de lumière couvrant toute la gamme de longueur d’onde de l’infrarouge moyen : de 2 à 10 µm. Ces travaux qui sont publiés dans la revue Laser and Photonics Reviews , ouvrent des applications en spectrométrie et en imagerie biomédicale.

Voir l’information mise en avant par le CNRS

Les sources lumineuses supercontinuum  (SC) à base de fibres optiques sont devenues très utiles au cours de la dernière décennie pour de nombreuses d'applications industrielles et scientifiques. De nouvelles utilisations sont en constante évolution en raison de leurs propriétés optiques remarquables dont une émission de fréquences électromagnétiques très large bande, une sortie fibrée, et un faisceau monomode transverse de forte brillance comme un pointeur laser. Les applications sont nombreuses et vont de la tomographie optique cohérente, le traitement des matériaux, la détection chimique, la surveillance des gaz, l'imagerie et la spectroscopie d'absorption. Seulement, les,sources SC actuellement disponibles sont limitées en bande passante (400 nm - 2 µm) car elles sont basées sur des fibres optiques micro-structurées en verre de silice. Cependant, de nombreuses applications telles que la détection d'espèces chimiques et biologiques nécessitent des sources SC au-delà de l'état de l'art, en particulier vers l’infrarouge moyen (IR) de 2 à 20 µm où se situe la plupart des empreintes moléculaires.

Pour étendre le spectre de ces sources lasers, une grande variété de verres infrarouges à base de chalcogénures, de tellures, et de fluorures a été synthétisée pour concevoir des fibres optiques hautement non linéaires dans l'infrarouge moyen, et des expériences de laboratoire ont montré une génération efficace de supercontinuum jusqu'à 14 µm dans les fibres de chalcogénures et jusqu'à 16 µm dans les fibres de tellures. Cependant, la plupart de ces expériences ont été réalisées à l’aide de sources de pompe infrarouges coûteuses et volumineuses telles que des oscillateurs et des amplificateurs paramétriques optiques, ce qui les rend in fine peu pratiques pour la plupart des applications visées.

Pour répondre à ces nouveaux besoins, S. Venck et ses collègues (SelenOptics) ont développé un nouveau système de fibres en cascade capable de générer un supercontinuum couvrant toute la gamme de l'infrarouge moyen 2-10 µm, offrant ainsi une nouvelle solution laser fiable pour la spectroscopie moléculaire, la télédétection infrarouge, la tomographie par cohérence optique et l’imagerie spectrale. Pour obtenir ce très large spectre infrarouge, les chercheurs ont conçu une solution pratique basée sur une série de trois fibres de verre de silice, fluorure et chalcogénure, directement pompée par un laser impulsionnel compact émettant à longueur d'onde de 1,55 µm. Le spectre initial du laser est ainsi considérablement élargi et décalé vers l’infrarouge moyen par les effets non linéaires agissant successivement dans les trois fibres optiques. Les chercheurs ont alors montré que ce système entièrement fibré produit un spectre continu infrarouge moyen à large bande de 2 µm à 10 µm, couvrant la toute bande de transmission de la fibre de chalcogénure, et avec plusieurs dizaines de milliwatts de puissance de sortie (voir figure 1).

Selon Thibaut Sylvestre de l’institut FEMTO-ST, qui a géré le projet avec SelenOptics,  «Cette technique de concaténation de fibres optiques ouvre la voie à des sources moyen-infrarouges compacts et robustes pour la détection et la spectroscopie et l’imagerie biomédicale. Seul le rayonnement synchrotron permet de générer une bande passante plus grande ».

Les auteurs décrivent en outre dans leur article un modèle numérique entièrement réaliste pour simuler la propagation d'impulsions lasers à travers la série de fibres et ils utilisent leurs résultats numériques pour optimiser les processus physiques sous-jacents. Les équipes s'accordent à dire que leur source de supercontinuum est maintenant prête à être commercialisée et ils travaillent sur l’amélioration du rayonnement infrarouge et les pistes à suivre.

Ce travail implique des chercheurs de l’institut FEMTO-ST, de l’université McGill à Montréal (Canada) et 3 entreprises Françaises ( SelenOptics, Le Verre Fluoré, Leukos). Il est aussi le résultat d’un projet Europeén H2020 Marie-Curie ITN n° 722328 géré par CNRS.

https://doi.org/10.1002/lpor.202000011

Contact : Thibaut Sylvestre