Un laser pour des horloges atomiques miniatures et plus précises

Un nouveau dispositif laser atteint des sommets d’efficacité et laisse entrevoir de nouvelles applications mettant à profit des horloges atomiques miniatures.

Les horloges atomiques permettraient de se guider sans signal GPS… si elles n’étaient pas aussi lourdes et volumineuses. Leur miniaturisation est un défi sur lequel les chercheurs s’acharnent depuis plusieurs années, et une équipe internationale vient de franchir une étape importante. Grâce à l’utilisation d’un micro-peigne de fréquences, une technologie laser de pointe très compacte, l’équipe a amélioré de 80 % l’efficacité du dispositif de comptage de ces horloges à la précision incomparable. Les travaux, décrits dans un article publié dans la revue Nature Photonics, ont été menés par des chercheurs issus de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) et œuvrant actuellement à l’Université de Sussex, en collaboration avec le professeur Roberto Morandotti.

Dans une horloge atomique optique, la référence (équivalent du pendule) s’appuie sur l’oscillation d’un faisceau lumineux. Il s’agit du nec plus ultra en termes de précision de la mesure du temps. L’élément de comptage de l’horloge, un « peigne de fréquence optique », doit dénombrer plusieurs centaines de milliards d’oscillations du faisceau lumineux par seconde. Les peignes de fréquences optiques sont des lasers émettant simultanément de nombreuses couleurs précises, régulièrement espacées en fréquence.

En exploitant de minuscules systèmes appelés micro-résonateurs optiques, les micro-peignes réduisent la dimension des peignes de fréquence. Cette amélioration fait miroiter la promesse de réaliser tout le potentiel des peignes de fréquence sous une forme compacte. Cependant, leur précision et leur stabilité ne répondent généralement pas aux exigences des horloges atomiques.

La découverte de l’équipe internationale met en lumière un micro-peigne exceptionnellement efficace et robuste basé sur un type d’onde unique appelé « soliton de cavité laser ». Le système intégrant le micro-peigne est au moins dix fois plus léger et 20 fois plus petit que les systèmes disponibles dans le commerce à l’heure actuelle, en plus d’être plus précis et de consommer moins d’énergie que ces derniers. Ce dispositif pourra non seulement être intégré à des horloges atomiques, mais permettra également d’améliorer un grand nombre d’applications basées sur les peignes de fréquences optiques dans des domaines tels que les télécommunications, l’astronomie, la métrologie optique et la spectroscopie de haute précision.

Les travaux ont été menés au Royaume-Uni par Alessia Pasquazi, le professeur Marco Peccianti, Benjamin Wetzel, tous les trois anciennement chercheurs postdoctoraux à l’INRS et maintenant collaborateurs du professeur Roberto Morandotti, ainsi que Luigi di Lauro qui est présentement chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Morandotti.

Auteur : Stéphanie Thibault

Photo : Représentation d’une impulsion du micro-peigne de fréquences optiques se propageant dans une puce optique. Crédit: EPic Lab, University of Sussex

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[ Article repris avec l'aimable autorisation ]

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