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Des lentilles ultrafines qui rendent la lumière infrarouge visible

La lumière infrarouge traverse la lentille métallique et est convertie en lumière violette, puis focalisée en un point grâce au matériau et aux structures spéciales de la surface – agrandie dans la loupe. (Graphiques : Ü.Talts / ETH Zurich)

Des lentilles ultrafines qui rendent la lumière infrarouge visible

par ETH Zurich (SUI)
4 juin 2025
en Optique, Technologie

Peter Rüegg

Des physiciens de l’ETH Zurich ont mis au point une lentille aux propriétés magiques. Ultra-mince, elle peut transformer la lumière infrarouge en lumière visible en divisant par deux la longueur d’onde de la lumière incidente.

Les lentilles sont les dispositifs optiques les plus utilisés. Les objectifs d’appareil photo, par exemple, produisent une photo ou une vidéo nette en dirigeant la lumière vers un point focal. La rapidité de l’évolution dans le domaine de l’optique au cours des dernières décennies est illustrée par la transformation des appareils photo conventionnels encombrants en appareils photo compacts pour smartphone d’aujourd’hui.

Même les appareils photo de smartphones très performants nécessitent encore une pile d’objectifs qui représentent souvent la partie la plus épaisse du téléphone. Cette contrainte de taille est une caractéristique inhérente à la conception classique des objectifs : une lentille épaisse est essentielle pour courber la lumière afin de capturer une image nette sur le capteur de l’appareil photo.

Les progrès considérables réalisés dans le domaine de l’optique au cours des dix dernières années ont permis de surmonter cette limitation et d’apporter une solution sous la forme de lentilles métalliques. Elles sont plates, fonctionnent de la même manière que des lentilles normales et sont non seulement 40 fois plus fines qu’un cheveu humain moyen, mais aussi plus légères puisqu’elles n’ont pas besoin d’être fabriquées en verre.

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Une métasurface spéciale composée de structures d’une largeur et d’une hauteur de seulement cent nanomètres (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre) modifie la direction de la lumière. Grâce à ces nanostructures, les chercheurs peuvent réduire considérablement la taille d’une lentille et la rendre plus compacte.

Associées à des matériaux spéciaux, ces nanostructures peuvent être utilisées pour explorer d’autres propriétés inhabituelles de la lumière. L’optique non linéaire, qui consiste à convertir la lumière d’une couleur en une autre, en est un exemple. Un stylo laser vert fonctionne selon ce principe : la lumière infrarouge traverse un matériau cristallin de haute qualité et génère une lumière dont la longueur d’onde est réduite de moitié, en l’occurrence une lumière verte. Le niobate de lithium est un matériau bien connu qui produit de tels effets. Il est utilisé dans l’industrie des télécommunications pour créer des composants qui relient l’électronique aux fibres optiques.

Schémas d'une lentille classique comparée à une lentille métallique.
Schémas d’une lentille classique comparée à une lentille métallique.  (Figure: Ü. Talts / ETH Zurich)

Rachel Grange, professeure à l’Institut d’électronique quantique de l’ETH Zurich, mène des recherches sur la fabrication de nanostructures à partir de ces matériaux. Elle et son équipe ont mis au point un nouveau procédé qui permet d’utiliser le niobate de lithium pour créer des métalenses.

Pour sa nouvelle méthode, la physicienne combine la synthèse chimique et la nano-ingénierie de précision. « La solution contenant les précurseurs des cristaux de niobate de lithium peut être estampillée alors qu’elle est encore à l’état liquide. Cela fonctionne de manière similaire à la presse à imprimer de Gutenberg », commente Ülle-Linda Talts, co-auteure principale et doctorante travaillant avec Rachel Grange. Une fois le matériau chauffé à 600 °C, il acquiert des propriétés cristallines qui permettent la conversion de la lumière, comme dans le cas du stylo laser vert.

Ce procédé présente plusieurs avantages. La production de nanostructures en niobate de lithium est difficile à réaliser à l’aide des méthodes conventionnelles, car ce matériau est exceptionnellement stable et dur. Selon les chercheurs, cette technique est adaptée à la production de masse, car un moule inversé peut être utilisé plusieurs fois, ce qui permet d’imprimer autant de métalenses que nécessaire. Elle est également beaucoup plus rentable et plus rapide à mettre en œuvre que d’autres dispositifs optiques miniaturisés en niobate de lithium.

Processus de fabrication.
Processus de fabrication. (Figure : d’après Talts ÜL, et al, Adv. Mat., 2025)

Des lentilles ultrafines qui génèrent une nouvelle lumière

Grâce à cette technique, les chercheurs de l’ETH du groupe de Rachel Grange ont réussi à créer les premières métalenses en niobate de lithium avec des nanostructures conçues avec précision. Tout en fonctionnant comme des lentilles de focalisation de la lumière normales, ces dispositifs peuvent simultanément modifier la longueur d’onde de la lumière laser. Lorsque la lumière infrarouge d’une longueur d’onde de 800 nanomètres est envoyée à travers la métalense, un rayonnement visible d’une longueur d’onde de 400 nanomètres émerge de l’autre côté et est dirigé vers un point désigné.

Cette magie de la conversion de la lumière, comme l’appelle Rachel Grange, n’est possible que grâce à la structure spéciale de la métalense ultra-fine et à sa composition d’un matériau qui permet l’apparition de ce que l’on appelle l’effet optique non linéaire. Cet effet n’est pas limité à une longueur d’onde laser définie, ce qui rend le processus très polyvalent dans un large éventail d’applications.Des billets de banque infalsifiables aux outils de microscopie de nouvelle génération.

Image microscopique de différentes nanostructures utilisées dans les lentilles métalliques.
Image microscopique de différentes nanostructures utilisées dans les lentilles métalliques. (Figure : d’après Talts ÜL, et al, Adv. Mat., 2025)

Des billets de banque à l’épreuve de la contrefaçon aux outils de microscopie de nouvelle génération

Les métalenses et autres nanostructures génératrices d’hologrammes similaires pourraient être utilisées comme dispositifs de sécurité pour rendre les billets de banque et les titres infalsifiables et garantir l’authenticité des œuvres d’art.

Leurs structures exactes sont trop petites pour être visibles à la lumière visible, tandis que leurs propriétés matérielles non linéaires permettent une authentification hautement fiable.

Les chercheurs peuvent également utiliser de simples détecteurs de caméra pour convertir et diriger l’émission de lumière laser afin de rendre visible la lumière infrarouge, par exemple dans les capteurs. Ou pour réduire l’équipement nécessaire à la structuration de la lumière UV profonde dans la fabrication électronique de pointe.

Le domaine de ces éléments optiques ultra-minces, appelés métasurfaces, est une branche de recherche relativement récente à la croisée de la physique, de la science des matériaux et de la chimie. « Nous n’en sommes qu’au début et nous sommes très impatients de voir l’impact que ce type de nouvelle technologie rentable aura à l’avenir », souligne M. Grange.

Légende illustration : La lumière infrarouge traverse la lentille métallique, est convertie en lumière violette et focalisée sur un point focal grâce au matériau et aux structures de surface spéciales – agrandies dans la loupe. (Graphique : Ü.Talts / ETH Zurich)

Talts Ü, Weigand H, Occhiodori I, Grange R, Scalable Lithium Niobate Nanoimprinting for Nonlinear Metalenses. Adv. Mater. 2025, 2418957. DOI : 10.1002/adma.202418957

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Tags: infrarougelentillelumierevisible
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ETH Zurich (SUI)

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L'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ), fondée en 1855, est l'une des institutions académiques les plus prestigieuses au monde dans le domaine des sciences et technologies. Cette université publique suisse, surnommée "ETH" ou "Poly", a forgé sa réputation d'excellence à travers plus de 165 ans d'histoire. L'institution compte aujourd'hui environ 19 800 étudiants, dont 4 000 doctorants, provenant de plus de 120 pays. Son excellence académique est attestée par ses 21 lauréats du prix Nobel, dont le plus célèbre est Albert Einstein. L'ETH Zurich concentre ses recherches sur quatre axes stratégiques majeurs pour 2021-2024 - Données et Information : Intelligence artificielle, digitalisation et cybersécurité - Santé et Médecine : Technologies médicales innovantes et recherche biomédicale - Matériaux et Technologies de Fabrication : Développement de matériaux durables et processus de production avancés - Responsabilité et Durabilité : Approche multidisciplinaire des défis environnementaux L'institution se distingue par sa capacité à transformer la recherche en innovations concrètes : - Plus de 355 spin-offs créées depuis 1996 - 90 demandes de brevets et 200 rapports d'invention annuels - Forte collaboration avec l'industrie et développement de technologies de pointe L'ETH Zurich renforce actuellement sa position dans le domaine de l'intelligence artificielle, notamment à travers la création du Swiss National AI Institute (SNAI) en collaboration avec l'EPFL. Cette initiative vise à développer le premier modèle d'IA suisse et à former les futurs experts en intelligence artificielle, s'appuyant sur une infrastructure de calcul de pointe comprenant plus de 10 000 superpuces d'IA.

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