Repousser les limites des lasers à cascade quantique
Publié par Redbran le 21/10/2019 à 14:00
Source: © Union européenne, [2019] / CORDIS
Un consortium établi dans le cadre du projet ULTRAQCL de l'UE a prouvé que les lasers à cascade quantique peuvent être adaptés pour générer des impulsions très courtes dans la bande de fréquences térahertz, idéale pour des applications comme la détection rapide de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) et la génération de micro-ondes.


© ULTRAQCL

Des universitaires venus de France, d'Allemagne, d'Italie et du Royaume-Uni se sont associés pour réaliser une percée importante dans le domaine des technologies laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) et ont ouvert la voie à des applications allant de la détection rapide des gaz à la métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.), en passant par la détection par micro-ondes et les essais non destructifs.

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) ULTRAQCL de l'UE a démontré que les lasers à cascade quantique (QCL) dans la bande de fréquences térahertz pouvaient également être adaptés pour générer des impulsions très courtes, aussi courtes qu'une picoseconde. "Il s'agit ici de gagner un ordre de grandeur", explique le Dr Sukhdeep Dhillon, coordinateur du projet rattaché au laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) du Centre national de recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) (CNRS) et à l'École normale supérieure de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre...). "On avait supposé que leurs propriétés intrinsèques ne pourraient pas être adaptées pour produire des impulsions très courtes."

Les chercheurs du projet ont qu'il était possible d'obtenir des impulsions très courtes dans un peigne de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) stabilisé (un large spectre composé de lignes étroites équidistantes) avec une grande largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle, l'autre...) de bande spectrale (En astronomie, une bande spectrale désigne une partie du spectre électromagnétique que laisse passer un filtre standard. Une bande spectrale est ainsi déterminée par son profil de transmission, c'est-à-dire la fraction de l'intensité...). "Cela rend possible le recours à une technique appelée spectroscopie en peigne à double fréquence, qui peut être appliquée à la métrologie et détecter diverses espèces gazeuses ayant des signatures spectrales dans la bande THz", détaille le Dr Dhillon.

Les chercheurs ont également montré que les impulsions THz courtes pouvaient être utilisées comme méthode pour générer un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) micro-ondes à faible bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.), ainsi que pour la détection THz ultra-rapide dans des applications de télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus...) en espace libre. Le consortium a ensuite prouvé que ces lasers pouvaient servir pour des mesures de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vol (la mesure du temps pris par un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...), une particule ou une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales....) pour parcourir une certaine distance à travers un milieu donné), ce qui les rend appropriés pour des applications dans le domaine des essais non destructifs.

Détection des gaz

On observe un intérêt manifeste pour la commercialisation de ces applications. En effet, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) du marché THz est estimé à environ 272 millions d'euros et devrait atteindre 1,3 milliards d'euros d'ici 2025.

L'équipe s'intéresse tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) particulièrement à la façon dont la génération d'impulsions courtes et de peignes de fréquences peut être appliquée à la détection de différents types de gaz. Ils souhaiteraient orienter leurs recherches dans cette direction, dans le cadre d'un futur projet.

En attendant, tout en s'efforçant d'atteindre les objectifs du projet, les chercheurs de ULTRAQCL ont déjà mis au point (Graphie) un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) considérable de technologies dérivées destinées à l'industrie. Ils ont déposé trois demandes de brevet, dont une pour des commutateurs photoconducteurs sans écho et un type de commutateur à quartz pour les systèmes à amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.). Mis à profit dans le cadre du projet pour étudier la génération d'impulsions dans les QLC, ces systèmes sont maintenant à l'étude en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de leur commercialisation.

Les partenaires attribuent le succès du projet à la mise en commun de l'expertise de différents centres de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) européens: alors que l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Leeds au Royaume-Uni menait l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de croissance matérielle, le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) s'est concentré sur les méthodes actives de génération d'impulsions, tandis que le CNR-Nano, en Italie, se penchait sur les méthodes passives. L'Université Paris-Sud a pris les commandes en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) de méthodes de fabrication, l'Université de Ratisbonne, en Allemagne, s'est chargée de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) ultra-rapide et l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) national d'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), en Italie, était responsable de la recherche sur les applications, avec une attention particulière pour la métrologie.

"Le projet s'est déroulé dans un véritable esprit de collaboration, ce qui était indispensable pour réaliser de tels progrès", souligne le Dr Dhillon. "Bien que chaque partenaire ait eu un rôle distinct, tous ont contribué à chaque activité afin de garantir que les objectifs finaux du projet soient atteints."

Pour plus d'information voir: projet ULTRAQCL
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