Un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques

Publié par Isabelle le 25/10/2014 à 00:00
Source: CNRS
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Des chercheurs de l'institut Femto-ST (CNRS/UFC/UTBM/ENSMM) (1), en collaboration avec des collègues du Laboratoire Charles Fabry (CNRS/Institut d'Optique Graduate School) viennent de découvrir un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques 50 fois plus fines qu'un cheveu ! Ce phénomène, qui varie selon l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) de la fibre, pourrait être exploité pour concevoir des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) innovants et ultra-sensibles. Ces travaux sont publiés le 24 octobre 2014 dans la revue Nature Communications.


Un faisceau laser (émettant à la longueur d'onde de 600 nanomètres) est guidé dans une microfibre optique.
© Thibaut Sylvestre, Institut Femto-ST/CNRS

Les microfibres optiques sont des fibres de verre effilées 50 fois plus fines qu'un cheveu, au diamètre proche voire inférieur au micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (un millième de millimètre). Pour produire ces minuscules objets, des chercheurs du Laboratoire Charles Fabry (Marie Paul Auguste Charles Fabry, né à Marseille le 11 juin 1867 et mort à...) ont chauffé et étiré des fibres optiques utilisées pour les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...) et mesurant 125 micromètres de diamètre. La suite de l'étude s'est déroulée à l'institut Femto-ST, à Besançon. En injectant un faisceau laser dans ces fines mèches de verre, des chercheurs du CNRS ont observé, pour la première fois, un nouveau mode de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) Brillouin (2) de la lumière, impliquant des ondes acoustiques (3) de surface. Cette découverte a ensuite été confirmée par une simulation informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...), qui a permis de vérifier le mécanisme physique en jeu.

Comme le diamètre des fibres utilisées est inférieur à la longueur d'onde de la lumière utilisée (1,5 micromètre, dans l'infrarouge), celle-ci y est extrêmement confinée. Sur son trajet, la lumière fait vibrer de manière infime le matériau, déplaçant la matière de quelques nanomètres (ou millionièmes de millimètre). Cette déformation se manifeste par une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée...) qui se déplace à la surface de la fibre à 3 400 mètres par seconde, d'après les résultats des chercheurs. L'onde agit en retour sur la propagation de la lumière: une partie du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) lumineux est renvoyée en sens inverse et avec une longueur d'onde différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...).

Ce phénomène n'avait jamais été observé jusqu'ici, car il se produit uniquement lorsque la lumière est confinée dans une fibre plus fine que sa longueur d'onde. En effet, dans une fibre optique standard, la lumière se propage essentiellement dans le cœur de la fibre (d'un diamètre de 10 micromètres). Par conséquent, elle ne génère pas d'ondes de surface.

Comme elles se déplacent à la surface des microfibres, les ondes générées par le confinement de la lumière sont sensibles aux facteurs de l'environnement, tels que la température, la pression ou le gaz ambiant. Cela ouvre la voie à la conception de capteurs optiques (4) très sensibles et très compacts pour l'industrie. Ces résultats contribuent également à approfondir nos connaissances sur les interactions fondamentales entre la lumière et le son, à l'échelle de l'infiniment petit.


Un faisceau laser rouge (hélium-néon) passe dans une microfibre optique dont le diamètre fait un micromètre. La fibre est encapsulée dans un système étanche, pour éviter qu'elle s'oxyde ou casse.
© Thibaut Sylvestre, Institut Femto-ST/CNRS

Notes:
1 - Femto-ST: Franche-Comté électronique mécanique thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et optique - sciences et technologies (CNRS/Université de Franche-Comté/Université de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Belfort-Montbéliard/Ecole nationale supérieure de mécanique et des microtechniques de Besançon).
2 - Diffusion "inélastique" de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu. En d'autres termes, les propriétés du milieu modifient le trajet des ondes lumineuses ainsi que leur longueur d'onde.
3 - Ondes de même nature que les ondes sonores que perçoit notre oreille, mais d'une fréquence bien plus grande, donc inaudibles.
4 - Par opposition aux capteurs électriques, les capteurs optiques sont des capteurs passifs (qui se passent d'alimentation électrique), et qui utilisent les propriétés de la lumière.
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