Un laser compact pour détecter les polluants

Détecter des polluants ou des molécules requiert habituellement des sources laser avec de larges installations. A l’EPFL, les chercheurs ont développé un système simple et compact, capable d’effectuer de la détection dans l’infrarouge moyen. Un simple laser et une puce de quelques millimètres. Tels sont les deux ingrédients dont se sont servis des chercheurs de l’EPFL pour fabriquer une source de lumière qui sonde les molécules dans l’infrarouge moyen. De la taille d’une minuscule valise, le dispositif a le potentiel de sonder la présence de nombreux gaz, tels que les gaz à effet de serre, et même certaines molécules dans l’haleine. Leur recherche apparaît dans Nature Communications. La région spectrale de l’infrarouge moyen est très prisée des scientifiques. C’est en effet l’une des régions où l’on peut détecter les molécules importantes en termes de santé et d’environnement. Mais générer des lasers dans ce spectre, avec des longueurs d’onde spécifiques, requiert des installations sophistiquées et sensibles, ce qui les rend difficilement transportables. La technologie des chercheurs de l’EPFL pourrait changer la donne. En combinant un laser fibré -disponible dans le commerce-, et une puce avec des guides d’ondes micrométriques, ils ont généré des ondes de façon très performantes dans l’infrarouge moyen. A titre de démonstration, ils ont ensuite couplé leur dispositif à un spectromètre pour détecter la présence et la concentration de molécules d’Acétylène, un gaz incolore très inflammable.

Comment ça marche ? Les chercheurs utilisent un laser fibré compact et robuste, qui émet dans une bande spectrale spécifique. Le laser est injecté dans un guide d’onde micrométrique (0.001 mm), d’un demi-millimètre de long. Ce guide d’onde a la capacité de changer la fréquence de la lumière qui s’y propage. A la sortie du guide apparaît une lumière située dans l’infrarouge moyen, qui restitue 30% de la puissance de la lumière initiale. En modifiant les dimensions du guide, les chercheurs peuvent en outre « régler » la longueur d’onde du laser généré. «C’est un record en terme d’efficacité. Cela permet pour la première fois de faire des mesures spectroscopiques à partir d’une source laser complètement intégrée, explique Davide Grassani, l’un des auteurs de l’étude. Il n’y a pas non plus besoin d’aligner précisément les différents éléments comme c’est le cas dans les dispositifs traditionnels.» Ce résultat a été obtenu en optimisant tous les paramètres importants, c’est-à-dire la géométrie du guide d’onde, le matériau dont il est constitué et la longueur d’onde de la source du laser d’origine. «Nous avons effectué un gros travail de design, qui rend le dispositif extrêmement efficace, simple à utiliser et robuste», commente Camille Brès, coordinatrice du projet et qui dirige le Laboratoire de systèmes photoniques à la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur.

De la spectroscopie sur puce La recherche ouvre de nombreuses possibilités de miniaturisation, pour une zone spectrale (l’infrarouge moyen) généralement peu accessible pour les scientifiques. «Avec un peu de développement, on pourrait imaginer faire de la détection directement sur une puce. Il serait alors très facile d’emporter ces instruments sur le terrain», conclut la chercheuse. Auteur: Laure-Anne Pessina Crédit Photo : Alain Herzog / 2019 EPFL

Le dispositif est né grâce aux expertises issues du Laboratoire de systèmes photoniques, dirigé par Camille Brès, et de celles du Laboratoire de photonique et mesures quantiques, dirigé par Tobias Kippenberg (STI/SB).

Références

D. Grassani, E. Tagkoudi, H. Guo, C. Herkommer, F. Yang, T.J. Kippenberg, C.-S. Brès, Mid infrared gas spectroscopy using efficient fiber laser driven photonic chip-based supercontinuum, Nature Communications.