La lumière laser devient 10 000 fois plus pure

Énergie

Équipe éditoriale du site Innovation technologique - 08/04/2025

Voici l'appareil expérimental utilisé par l'équipe pour réduire la largeur de raie laser. [Image : Université Macquarie]

Largeur de la ligne laser

Une nouvelle technique a permis de réduire la largeur de raie d'un faisceau laser d'un facteur de plus de 10 000, une avancée qui pourrait révolutionner des domaines aussi divers que l'informatique quantique , les horloges atomiques et la détection des ondes gravitationnelles .

La largeur de raie laser mesure la précision avec laquelle un faisceau lumineux maintient sa fréquence et sa pureté de couleur : plus la largeur de raie est petite, plus le laser est monochromatique et spectralement pur.

La technique consiste à utiliser des cristaux de diamant et l’effet Raman, par lequel la lumière laser stimule les vibrations dans les matériaux puis diffuse ces vibrations.

« Une méthode courante pour réduire la largeur de raie laser utilise des lasers Brillouin, qui utilisent des ondes sonores pour interagir avec la lumière. Cependant, l'effet est relativement faible : la largeur de raie est généralement réduite de quelques dizaines à plusieurs centaines de fois seulement », explique Richard Mildren de l'Université Macquarie en Australie. « Notre technique utilise la diffusion Raman stimulée, où le laser stimule des vibrations à bien plus haute fréquence dans le matériau, et est mille fois plus efficace pour réduire la largeur de raie. »

Les calculs théoriques de l'équipe indiquent que leur technique peut encore être améliorée, ce qui pourrait conduire à une lumière laser encore plus pure. « Notre modélisation informatique suggère que nous pourrions réduire la largeur de la ligne laser de plus de 10 millions de fois en utilisant des variantes de la conception actuelle », a déclaré David Spence, membre de l'équipe.

Structure du modèle avec chevauchement des propagations vers l'avant (en haut) et vers l'arrière (en bas). [Image : RL Pahlavani et al. - 10.1063/5.0271652]

Supprimer le bruit de la lumière

Pour obtenir le gain obtenu, l'équipe a utilisé un cristal de diamant mesurant seulement quelques millimètres de diamètre dans une cavité soigneusement conçue, puis a appliqué un faisceau d'entrée volontairement « bruyant », avec une largeur de raie dépassant 10 MHz.

Le problème réside dans la gestion des faibles variations des ondes lumineuses, aléatoires dans le temps, qui rendent les faisceaux laser moins purs et précis. Dans un laser parfait, toutes les ondes lumineuses seraient parfaitement synchronisées, mais en réalité, certaines ondes sont légèrement en avance ou en retard sur d'autres, ce qui entraîne des fluctuations de phase. Ces fluctuations de phase créent du « bruit » dans le spectre laser : elles obscurcissent la fréquence du laser, réduisant ainsi sa pureté chromatique.

La technique Raman consiste à transformer ces irrégularités temporelles en vibrations spatiales dans le cristal de diamant, où elles sont absorbées et dissipées très rapidement (en quelques trillionièmes de seconde). Il en résulte des ondes lumineuses aux oscillations beaucoup plus douces et donc spectralement plus pures, avec un effet de rétrécissement substantiel sur le spectre laser.

L’utilisation de cristaux de diamant est justifiée car le matériau possède des propriétés thermiques exceptionnelles et offre un environnement de test stable.

La technique de diffusion Raman a réduit le faisceau laser de sortie à la limite de 1 kHz, ce qui représente un facteur de réduction de plus de 10 000.

Les modèles théoriques indiquent que la pureté de la lumière laser peut être encore améliorée. [Image : RL Pahlavani et al. - 10.1063/5.0271652]

Applications des lasers à lumière ultrapure

Les lasers à largeur de raie ultrafine qui pourraient être construits avec le développement de cette nouvelle technique auront plusieurs applications, comme dans les ordinateurs quantiques, où un contrôle extrêmement précis du laser est nécessaire pour manipuler les qubits - les lasers actuels peuvent introduire du bruit de phase qui provoque des erreurs dans l'informatique quantique, un problème qui est déjà très compliqué en soi.

Une plus grande pureté spectrale améliorera également les horloges atomiques, qui sous-tendent la navigation GPS et pourraient bientôt permettre de nouvelles découvertes en physique fondamentale et la redéfinition de la seconde dans le système international .

Et en astronomie, les détecteurs d’ondes gravitationnelles , qui mesurent des distorsions incroyablement petites dans l’espace-temps, pourraient devenir encore plus sensibles en utilisant des faisceaux laser à largeur de ligne plus étroite, révélant potentiellement des signaux plus faibles provenant d’événements cosmiques lointains.

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