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Ralentir la lumière et stopper sa diffraction avec des cristaux photoniques

 

 

Des chercheurs du laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS/CNRS) et du laboratoire des sciences et matériaux pour l'électronique et d'automatique (LASMEA CNRS/Université Clermond-Ferrand 2) proposent une nouvelle structure à base de semi-conducteurs optiques, appelés cristaux photoniques, permettant de ralentir la lumière et de supprimer les effets de la diffraction. 

 

La diffraction est un effet naturel qui induit l'étalement d'un faisceau de lumière (laser, phare de voiture, éclairage, ...) lors de sa propagation. Au cours de la propagation, l'énergie contenue dans le faisceau s'étale latéralement et se dilue. C'est pourquoi, il est habituellement nécessaire d'utiliser des guides optiques, comme les fibres optiques par exemple,  pour propager un faisceau de lumière efficacement sur de longues distances. Ici, les chercheurs ont réussi à créer un matériau artificiel dans lequel la diffraction a disparu et dans lequel la lumière peut se propager indéfiniment sans s'étaler et sans avoir à dessiner un guide optique. Cette découverte ouvre ainsi la voie à un contrôle sans précédent de l'interaction lumière-matière, processus clé dans de nombreux dispositifs opto-électroniques et photoniques. L'intérêt de cette approche est de permettre de propager le faisceau de lumière tout en gardant son énergie bien localisée (pas d'étalement). Elle permet aussi de ralentir la lumière, c'est à dire de garder cette énergie plus longtemps dans le matériau. Cela ouvre toute une panoplie de nouvelles solutions pour des dispositifs qui exploitent l'interaction lumière-matériau, comme les sources laser, mais aussi bon nombre de détecteurs ou de dispositifs optiques. On peut penser par exemple aux commutateurs tout-optiques ou aux convertisseurs de fréquence qui nécessitent une forte interaction entre la lumière et le matériau. Elle incite à penser autrement les dispositifs opto-électroniques.

 

Les cristaux photoniques sont connus pour modifier les propriétés de propagation des ondes électromagnétiques, en particulier de la lumière. Ils sont obtenus en gravant des réseaux de trous d'air à l'échelle nanométrique dans des matériaux d'indice optique élevé. Ils permettent de créer des matériaux artificiels possédant des propriétés optiques hors du commun que l'on ne retrouve pas dans les matériaux naturels. S'ils ont déjà permis soit de ralentir la lumière, soit d'obtenir une propagation sans diffraction, cette nouvelle étude va bien plus loin en combinant structurations nanométriques et micrométriques pour obtenir les deux effets de façon simultanée : des régions nanostructurées de longueur micrométrique sont alternées avec des régions non-gravées de longueur similaire (voir figure). Dans cette structure alternée, l'étalement naturel de la lumière dû à la diffraction peut être supprimé et la lumière se propage sans la moindre dispersion d'énergie. L'approche des chercheurs du LAAS-CNRS et du LASMEA-CNRS/Université Clermond-Ferrand 2 combine cette autocollimation à un fort ralentissement de la lumière, produisant une lumière lente. Elle offre un contrôle sans précédent non seulement de la vitesse mais aussi de la diffraction de la lumière. Ce double effet est obtenu dans des structures ne contenant que très peu de trous d'air permettant d'exalter l’interaction entre un faisceau de lumière lente autocollimatée et le matériau à indice élevé.

Propagation d'un faisceau de lumière (a) dans un matériau à indice non-structuré élevé, (b) dans une structure alternée à autocollimation où l'étalement latéral est annulé (les trous nanométriques apparaissent en blanc).

Figure : Propagation d'un faisceau de lumière (a) dans un matériau à indice non-structuré élevé, (b) dans une structure alternée à autocollimation où l'étalement latéral est annulé (les trous nanométriques apparaissent en blanc).

 

 

Référence

PhysRevLett.108.037401.20 janvier 2012

 

Contacts

antoine.monmayrant@laas.fr

 

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