Une nouvelle source de lumière infrarouge grâce à des cascades de fibres optiques
De nombreuses méthodes d’analyse utilisent des lasers, dont la longueur d’onde impacte profondément les performances. Une équipe de l’institut FEMTO-ST, de l'ISCR, de l’université McGill (Canada) et des sociétés SelenOptics, Le Verre Fluoré et LEUKOS a conçu une source de lumière couvrant toute la gamme de longueur d’onde de l’infrarouge moyen : de 2 à 10 µm. Elle fonctionne grâce à la disposition en cascade de fibres optiques en trois matériaux différents, formant ce que l’on appelle un supercontinuum. Ces travaux, publiés dans la revue Laser and Photonics Reviews, ouvrent des applications en spectrométrie et en imagerie.
Les sources lumineuses supercontinuum (SC) sont générées en propageant des impulsions laser courtes, mais de hautes puissances, dans des milieux non linéaires qui sont le plus souvent des fibres optiques. Popularisées au cours de la dernière décennie, ces sources ont trouvé des applications dans des domaines tels que la tomographie optique cohérente, le traitement des matériaux, la détection chimique, la surveillance des gaz, l’imagerie et la spectroscopie d’absorption. Cependant, la bande passante des sources SC actuelles est limitée entre 400 nm et 2 µm, à cause de la structure des fibres optiques classiques en verre de silice. Une restriction qui empêche par exemple la détection de nombreuses espèces chimiques et biologiques, dont les signatures se retrouvent vers l’infrarouge moyen et au-delà : entre 2 à 20 µm. Des chercheurs de l’institut FEMTO-ST (CNRS/UFC/UTBM/ENSMM), de l'Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/Université de Rennes 1/ENSC Rennes/INSA Rennes) de l’université McGill de Montréal et des entreprises SelenOptics, Le Verre Fluoré et Leukos sont parvenus à atteindre les 10 µm, avec des solutions transposables aux applications actuelles.
Les scientifiques ont pour cela développé un système de fibres en cascade qui génère un supercontinuum couvrant tout l’infrarouge moyen (2-10 µm). Des travaux d’autres équipes poussent jusqu’à 16 µm, mais seulement à l’aide d’installations bien trop coûteuses et volumineuses pour que la méthode soit applicable de façon concrète. Ici, un laser impulsionnel compact passe par une série de trois fibres de verre de silice, de fluorure et de chalcogénure. Son spectre est alors progressivement élargi et décalé vers l’infrarouge moyen. Les chercheurs décrivent en outre un modèle numérique entièrement réaliste pour simuler la propagation d’impulsions lasers à travers la série de fibres, qu’ils utilisent pour optimiser le processus. Cette technique, prête à être commercialisée, ouvre la voie à des sources moyen-infrarouges, compactes et robustes, pour la détection, la spectroscopie et l’imagerie biomédicale.
Ces travaux sont le résultat d’un projet européen H2020 Marie-Curie.
Figure 1 : Simulation numérique de l’évolution du spectre de la source laser couvrant la gamme de longueur d’onde de 2 à 10 µm dans l’infrarouge moyen.
Référence
2-10 µm Mid-Infrared Supercontinuum Generation in Cascaded Optical Fibers: Experiment and Simulation,
S. Venck, F. St-Hilaire, L. Brilland, A. N. Ghosh, R. Chahal1, J. Troles, M. Meneghetti, F. Joulain, S. Cozic, S. Poulain, G. Huss, M. Rochette, J. Dudley and T. Sylvestre
Laser and Photonics Reviews (mai 2020), 2000011
DOI:10.1002/lpor.202000011