Tous les chats ne sont pas gris dans le noir! –
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Nos yeux ne sont sensibles qu’à trois bandes de couleurs spectrales (rouge, vert, bleu), et nous savons tous que nous ne pouvons plus distinguer les couleurs si elles deviennent très foncées. Les spectroscopistes peuvent identifier beaucoup plus de couleurs par les fréquences des ondes lumineuses, afin de pouvoir distinguer les atomes et les molécules par leurs empreintes spectrales. Dans une expérience de démonstration de principe, Nathalie Picqué et Theodor Hänsch de l’Institut Max-Planck d’Optique Quantique (MPQ) et de l’Université Ludwig-Maximilian (LMU) ont maintenant enregistré de larges spectres avec près de cent mille couleurs presque complètes ténèbres. L’expérience utilise deux lasers femtosecondes à verrouillage de mode et un seul détecteur de comptage de photons. Les résultats viennent d’être publiés dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Un laser femtoseconde à verrouillage de mode émet des centaines de milliers de lignes spectrales nettes qui sont espacées précisément et uniformément en fréquence. De tels peignes de fréquence laser sont maintenant largement utilisés pour compter les oscillations d’une onde laser et ils servent d’horlogerie dans les horloges atomiques optiques. La technique du peigne de fréquence a été mise en évidence lorsque le prix Nobel de physique 2005 a été décerné à Theodor Hänsch et John L. Hall.
Au cours des quinze dernières années, Nathalie Picqué du MPQ a exploité les peignes de fréquences pour de nouvelles approches de la spectroscopie optique large bande. Dans sa technique de «spectroscopie à double peigne», toutes les lignes de peigne d’un laser interrogent un échantillon simultanément sur une large plage spectrale, et les lignes de peigne d’un deuxième laser avec un espacement légèrement différent interfèrent sur un photodétecteur rapide pour la lecture. Des paires de lignes de peigne, une de chaque laser, produisent des notes de battement radiofréquence dans le signal du détecteur. Ces signaux radiofréquences peuvent être numérisés et traités par un ordinateur. Toute structure spectrale optique de l’échantillon réapparaît sous la forme d’un motif correspondant dans le peigne des signaux radiofréquences. Les signaux optiques sont effectivement ralentis d’un grand facteur égal à la fréquence de répétition du laser divisé par la différence des fréquences de répétition. Les avantages uniques de cet outil spectroscopique puissant incluent une résolution spectrale pratiquement illimitée, un étalonnage possible avec une horloge atomique et une acquisition hautement cohérente de spectres complexes sans aucun besoin de balayage ou de pièces mobiles mécaniquement.
Picqué et Hänsch ont maintenant démontré que la spectroscopie à double peigne peut être étendue à des intensités lumineuses extrêmement faibles dans le régime de comptage de photons. Les signaux d’interférence peuvent être observés dans les statistiques des clics du détecteur de comptage de photons, même si la puissance est si faible, qu’un seul clic est enregistré sur le temps de 2000 impulsions laser, en moyenne. Dans de telles circonstances, il est extrêmement improbable que deux photons, un de chaque laser, soient présents dans le chemin de détection en même temps. L’expérience ne peut être expliquée intuitivement si l’on suppose qu’un photon existe avant la détection.
La capacité de travailler à des intensités lumineuses un milliard de fois inférieures à celles habituellement employées ouvre de nouvelles perspectives intéressantes pour la spectroscopie à double peigne. Nathalie Picqué explique: «La méthode peut désormais être étendue aux régions spectrales où les sources de peigne de fréquences les plus faibles sont disponibles, telles que les rayons ultraviolets extrêmes ou les rayons X mous. Les signaux spectroscopiques peuvent être acquis grâce à des matériaux hautement atténuants ou par rétrodiffusion sur de grandes Et il devient possible d’extraire des spectres à double peigne d’échantillons nanoscopiques jusqu’à des atomes ou des molécules uniques, qui ne produisent que de faibles signaux de fluorescence. “
Theodor Hänsch se souvient du moment dans le laboratoire où un motif d’interférence est apparu pour la première fois dans les statistiques des clics des détecteurs: “Je me suis senti ravi. Même après avoir travaillé dans la spectroscopie laser pendant plus de 50 ans, il m’a semblé assez contre-intuitif que des photons uniques détectés pourrait être “conscient” des deux lasers avec leur grand nombre de lignes de peigne et du spectre complexe d’un échantillon. “
Source de l’histoire:
Matériaux fourni par Max-Planck-Gesellschaft. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
