Des lasers qui détectent les substances en quelques minutes seulement

Une équipe de chercheurs singapouriens a développé une méthode innovante pour produire des lasers intenses et ultra-rapides. Cette technique pourrait permettre la création de dispositifs précis capables d’accélérer la détection de traces de polluants et de gaz dangereux.

Actuellement, les lasers émettant dans la gamme du moyen infrarouge peuvent être utilisés pour déterminer en quelques minutes ce qui se trouve dans l’air, qu’il s’agisse de polluants gazeux à effet de serre, de substances toxiques, d’explosifs ou de gaz liés à des maladies présents dans l’haleine d’une personne.

Les versions à haute puissance du laser moyen infrarouge, produites en rafales ultra-rapides, sont recherchées car elles sous-tendent des dispositifs très sensibles capables de détecter à distance, en toute sécurité, même de minuscules quantités d’une substance qui passerait autrement inaperçue ou serait difficile à identifier.

Les défis de la production de lasers

Les méthodes habituelles de génération de tels lasers présentent en revanche des inconvénients. Une méthode nécessite des conditions de laboratoire exemptes de perturbations – comme les vibrations et même les changements de température et d’humidité – qui peuvent désaligner un équipement délicatement calibré. Par conséquent, les lasers ne peuvent pas être utilisés à l’extérieur du laboratoire.

Une autre méthode peut produire les lasers tout en faisant face à des interférences environnementales comme les vibrations, mais leurs intensités ne sont pas assez fortes pour détecter avec précision de petites quantités de substances.

Ces défis ont été relevés grâce à de nouvelles recherches menées par NTUS. Les chercheurs ont utilisé des fibres optiques spécialement créées avec des noyaux creux, modifiant l’épaisseur des sous-structures dans les fibres pour produire des lasers très lumineux dans la gamme du moyen infrarouge.

Une avancée significative

« Notre méthode ouvre la voie au développement de générateurs de lasers moyen infrarouge portables, puissants et rapides qui n’ont pas besoin d’environnements bien contrôlés et exempts de vibrations pour fonctionner », a indiqué le professeur assistant de Nanyang, Chang Wonkeun, de l’école d’ingénierie électrique et électronique de la NTU, qui a dirigé la dernière recherche.

« Cela signifie que nous pouvons les associer à un détecteur et les utiliser sur le terrain pour aider à tester et identifier une grande variété de substances inconnues sur place et en même temps, même en quantités infimes, sans passer de temps supplémentaire à envoyer des échantillons à des laboratoires pour des tests. »

En synthèse

Les lasers moyen infrarouge, qui ont des longueurs d’onde de 2 µm – 20 µm, ont des avantages sur les autres lasers pour détecter les substances. De nombreux types de molécules absorbent les lasers dans la gamme du moyen infrarouge de manière unique, plus que les lasers dans d’autres longueurs d’onde, et cette caractéristique peut être utilisée pour identifier des substances inconnues.

De plus, même si de l’eau est présente dans ces substances, la précision de l’utilisation des lasers moyen infrarouge pour identifier les substances n’est pas affectée par les molécules d’eau, contrairement à d’autres lasers.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la nouvelle méthode de production de lasers?

La nouvelle méthode développée par l’Université Technologique de Nanyang utilise des fibres optiques spécialement créées avec des noyaux creux. En modifiant l’épaisseur des sous-structures dans les fibres, ils peuvent produire des lasers très lumineux dans la gamme du moyen infrarouge.

2. Quels sont les avantages des lasers moyen infrarouge?

Les lasers moyen infrarouge ont des longueurs d’onde de 2 µm – 20 µm, ce qui leur donne des avantages pour détecter les substances. De nombreux types de molécules absorbent les lasers dans la gamme du moyen infrarouge de manière unique, plus que les lasers dans d’autres longueurs d’onde. Cette caractéristique peut être utilisée pour identifier des substances inconnues.

3. Quels sont les défis de la production de lasers?

Les méthodes habituelles de génération de lasers présentent des inconvénients. Certaines nécessitent des conditions de laboratoire exemptes de perturbations, ce qui signifie que les lasers ne peuvent pas être utilisés à l’extérieur du laboratoire. D’autres peuvent produire les lasers tout en faisant face à des interférences environnementales, mais leurs intensités ne sont pas assez fortes pour détecter avec précision de petites quantités de substances.

4. Comment cette nouvelle méthode pourrait-elle être utilisée?

La nouvelle méthode pourrait permettre le développement de générateurs de lasers moyen infrarouge portables, puissants et rapides qui n’ont pas besoin d’environnements bien contrôlés et exempts de vibrations pour fonctionner. Ils pourraient être utilisés sur le terrain pour aider à tester et identifier une grande variété de substances inconnues sur place et en même temps, même en quantités infimes.

5. Quelle est la prochaine étape pour cette recherche?

La prochaine étape pour cette recherche est de continuer à développer et à affiner cette méthode de production de lasers. Les chercheurs espèrent que cela permettra de créer des dispositifs plus précis et plus efficaces pour la détection de substances dangereuses et polluantes.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Le dispositif expérimental utilisé pour générer des lasers infrarouges moyens intenses et ultrarapides dans le cadre de l’étude de la NTU de Singapour. Un laser vert est utilisé pour calibrer l’équipement optique du dispositif. (Crédit : NTU Singapore)

Les détails de l’étude dans « Microjoule-level mid-infrared femtosecond pulse generation in hollow-core fibers » (Génération d’impulsions femtoseconde dans l’infrarouge moyen au niveau microjoule dans des fibres à âme creuse) dans Laser & Photonics Reviews (2023). Lasers & Photonics Reviews.