Des nanofibres pour une conversion efficace de la longueur d’onde d’un laser

Les processus d’optique non linéaire mis en œuvre pour convertir la longueur d’onde d’un faisceau lumineux requièrent de faire traverser des matériaux spécifiques par un faisceau intense. En concentrant la lumière dans leur cœur sur de grandes distances, les fibres optiques sont potentiellement très bien adaptées à ces processus, mais de nombreux matériaux utilisés pour l’optique non linéaire ne peuvent pas constituer de fibre. Des physiciens du laboratoire Charles Fabry (CNRS/IOGS) et de l’Université de Hangzhou (Chine) viennent de montrer que l’on peut contourner cette difficulté en plaçant le matériau non linéaire autour d’une fibre optique de diamètre nanométrique. Le faisceau lumineux canalisé par cette fibre se trouve en fait essentiellement hors du cœur de silice et interagit donc efficacement avec le milieu non linéaire qui l’entoure. Un rendement de près de 50% a ainsi été obtenu pour la conversion Raman d’un faisceau laser vert traversant de l’éthanol, sur une distance 10 fois plus faible qu’avec une fibre creuse contenant l’éthanol en son cœur. Ce travail est publié dans le Journal of the European Optical Society Rapid Publication.

Les physiciens ont développé une « plateforme d’étirage de fibres » pour étirer les fibres optiques de silice de même type que celles employées dans les réseaux de communication. Cet étirement de la fibre s’accompagne d’un affinement, le diamètre est réduit d’un facteur supérieur à 100, passant des 125 µm de la fibre d’origine à quelques centaines de nanomètres, cela sur une longueur pouvant atteindre 10 centimètres. La nanofibre obtenue se trouve entre deux sections de fibres standard de 125 µm d’un maniement particulièrement aisé pour injecter et récupérer la lumière. Le passage de la fibre standard à la nanofibre s’effectue sans perte et s’accompagne d’un très fort accroissement de l’intensité lumineuse lié à la réduction du diamètre. Bien que le diamètre de la nanofibre soit considérablement plus faible que la longueur d’onde de la lumière, le guidage persiste, mais une partie significative de l’énergie optique se propage hors de la silice et donc dans le milieu qui baigne cette dernière. Après une première expérience utilisant l’éthanol comme milieu non linéaire, les physiciens ont utilisé du toluène dilué dans de l’éthanol. Ils ont alors observé une cascade Raman : le faisceau initial à 532 nm excite le premier ordre Stokes du toluène à 562 nm qui excite à son tour le second ordre Stokes du toluène à 596 nm. Ces premières démonstrations ouvrent la voie à un vaste éventail de nouvelles expériences en optique non linéaire.

Étireuse de nanofibres. La fibre optique en silice de diamètre 125 µm est maintenue par les deux platines de translation. Le mouvement contrôlé de ces deux platines permet d’étirer la fibre chauffée par une flamme jusqu’à des diamètres contrôlés de quelques centaines de nanomètre © Institut d’Optique Graduate School / Laboratoire Charles Fabry / Cédric Helsy

Dessin illustrant la propagation de la lumière dans une fibre étirée. Le faisceau est guidé par la structure de verre bien qu’il s’étende bien au-delà dans le matériau dans lequel est immergée la nanofibre.