La spectroscopie laser, technique d’analyse de pointe, connaît une évolution majeure grâce à une méthode novatrice développée par des chercheurs allemands. Cette approche promet d’améliorer considérablement la précision des mesures spectroscopiques, ouvrant la voie à de nombreuses applications dans divers domaines scientifiques et technologiques.
Depuis sa première démonstration dans les années 1960, la spectroscopie laser s’est imposée comme un instrument indispensable pour l’étude détaillée des structures et dynamiques atomiques et moléculaires. Les progrès technologiques ont permis l’émergence de deux principales catégories : la spectroscopie laser à peigne de fréquences et la spectroscopie laser à onde continue accordable.
La spectroscopie à peigne de fréquences se distingue par son extrême précision, atteignant jusqu’à 18 chiffres significatifs. Cette prouesse technique a été récompensée par un prix Nobel de physique en 2005. Les applications de cette méthode s’étendent des horloges optiques à la détection de la matière noire, en passant par la mesure de la gravité. Cependant, la faible puissance par mode du peigne limite son efficacité pour la détection de gaz à l’état de traces.
Les lasers à onde continue accordables offrent quant à eux un flux photonique élevé, de longs chemins d’interaction et une agilité en fréquence. Ces caractéristiques les rendent particulièrement adaptés à la spectroscopie moléculaire sensible, à la détection de gaz et aux applications LIDAR nécessitant un rapport signal sur bruit élevé. Néanmoins, les fluctuations de la vitesse de balayage en fréquence du laser constituent un défi majeur pour ces systèmes.
Une nouvelle méthode de spectroscopie à large bande
Une équipe de chercheurs de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière a mis au point une technique novatrice de spectroscopie à large bande. Cette méthode permet d’atteindre une précision de l’ordre du hertz en utilisant un laser accordable.
Le principe repose sur une calibration en temps réel de la fréquence laser à l’aide d’une cavité à fibre et d’une technique de double modulation radiofréquence. Cette approche permet de suivre avec précision la couleur du laser balayé à chaque instant, fournissant des marqueurs de calibration qui servent de règle de fréquence optique facile à utiliser.
Grâce à cette méthode, les scientifiques ont mesuré de minuscules écarts dans l’intervalle spectral libre d’une cavité en boucle de fibre sur une plage de fréquence de 11 THz, avec une précision inférieure à 10 Hz. Cette performance représente une amélioration d’un ordre de grandeur par rapport aux méthodes existantes de spectroscopie laser accordable.
Applications et perspectives
La nouvelle technique a été appliquée avec succès à la caractérisation de dispositifs photoniques intégrés, tels que les microrésonateurs, ainsi qu’à la mesure du spectre d’absorption moléculaire du gaz HF. Dans ce dernier cas, la précision obtenue s’est avérée cent fois supérieure aux méthodes conventionnelles.
La robustesse et la simplicité de cette approche la rendent particulièrement adaptée aux applications hors laboratoire. Les domaines potentiels d’utilisation incluent les systèmes LIDAR, l’imagerie 3D, la détection de gaz à l’état de traces en chemin ouvert, la caractérisation de dispositifs photoniques et l’étalonnage de spectromètres astrophysiques.
Le Dr. Tobias Herr, chercheur principal de l’étude, a déclaré : «Notre méthode offre une combinaison unique de précision, de simplicité et de polyvalence. Elle pourrait transformer la façon dont nous effectuons des mesures spectroscopiques dans de nombreux domaines scientifiques et industriels.»
Cette avancée dans le domaine de la spectroscopie laser illustre le potentiel d’innovation continu dans les techniques d’analyse optique. Les applications futures de cette méthode pourraient s’étendre bien au-delà des domaines actuellement envisagés, ouvrant de nouvelles possibilités pour la recherche fondamentale et appliquée.
Légende illustration : Suivi précis de la couleur du laser de balayage à chaque instant. Crédit photo : Florian Sterl
Article de Zhang, Bi et Del’Haye, « On-the-fly precision spectroscopy with a dual-modulated tunable diode laser and Hz-level referencing to a cavity, » Adv. Photon. 6(4), 046003 (2024), doi 10.1117/1.AP.6.4.046003
