Qu’est-ce qu’un supercontinuum?
Une source de supercontinuum (SC) est généralement un laser pulsé (dans le régime de la nanoseconde, de la picoseconde ou de la femtoseconde) converti en un signal optique ayant un spectre très large, comme illustré dans la Fig. 1. Comparé à des sources lumineuses large bande classiques telles qu’une lampe, une LED, ou même le soleil, les sources de supercontinuum ont l’un des plus grands avantages inhérents des lasers: elles sont directionnelles et, dans certains cas, cohérentes. Ce type de lasers peut donc être efficacement injecté et guidé dans une fibre optique, collimaté sur de longues distances, voire focalisé dans un très petit point, ce qui augmente significativement leur luminosité par rapport à d’autres sources large bande.
Quelles sont les applications du supercontinuum dans le moyen-infrarouge ?
La région spectrale du moyen-infrarouge est la plus intéressante pour le développement de sources de SC car elle contient l’absorption fondamentale de plusieurs matériaux et molécules. Les lasers SC dans le moyen-infrarouge trouvent donc principalement des applications dans l’imagerie et la spectroscopie. Voici certaines de leurs applications les plus prometteuses.
Tomographie par cohérence optique
La tomographie par cohérence optique (OCT) est une technique d’imagerie qui utilise les propriétés de diffusion de la lumière dans un milieu diffus pour imager des objets en volume avec une très grande précision. Cette technique est largement utilisée en imagerie médicale et dans les tests non destructifs industriels (NDT).
La tomographie par cohérence optique dans le moyen-infrarouge permet des profondeurs de pénétration plus importantes et une résolution accrue par rapport à la tomographie par cohérence optique classique dans le proche infrarouge [1]. La raison principale est simple : il y a moins de perte par diffusion à des longueurs d’onde plus longues.
Comme le montre la figure 2, les puces électroniques à l’intérieur de votre carte de crédit Mastercard ou Visa sont constituées de couches polymères fortement diffusantes, de microprocesseurs en silicium et de petites circuits qui peuvent être mieux imagés en volume en utilisant une source de SC dans le moyen-infrarouge par rapport à un système d’imagerie OCT standard dans le proche infrarouge.
Imagerie hyperspectrale
D’autre part, les caractéristiques distinctes d’absorption infrarouge des matériaux et des tissus biologiques offrent une autre dimension pour le diagnostic en microscopie et en bio-imagerie. Les techniques d’imagerie hyperspectrale basées sur des sources de supercontinuum collectent les informations spatiales et spectrales des matériaux avec un rapport signal/bruit beaucoup plus élevé que les techniques d’imagerie IR standard basées sur la FTIR en raison de la luminosité élevée de ces lasers. C’est un avantage majeur lorsque différents types de matériaux ou de tissus doivent être triés ou différenciés dans la même image pour détecter des cancers ou des anomalies [2]. La figure 2 montre un exemple d’image multispectrale d’un tissu colique obtenue avec un SC dans le moyen-infrarouge et comparée à une image visible et à une image confocale.
Télédétection
Les lasers de supercontinuum dans le moyen-infrarouge trouvent également des applications dans la détection à distance et l’identification de multiples gaz dans un volume en raison de leur nature large bande qui peut couvrir l’absorption fondamentale des gaz les plus courants tels que le CO2, le méthane, l’ammoniac, etc. Ces sources peuvent donc être utilisées pour surveiller les émissions de gaz à effet de serre provenant de raffineries, d’usines ou d’autres bâtiments industriels. Un exemple simplifié d’une telle application est présenté dans la Figure 4. Les sources de SC sont également utilisées pour la détection à distance et la caractérisation de systèmes de combustion [3] ou d’explosifs [4].
Contremesures infrarouges
La fenêtre de transmission atmosphérique de 3 à 5 µm est une région d’intérêt pour les applications de défense. Certains des missiles à recherche de chaleur les plus récents (Stinger, Sidewinder, etc.) comprennent des détecteurs infrarouges qui guident ces missiles vers une cible spécifique.
Les détecteurs utilisés dans de tels missiles sont très sensibles aux parties à haute température des véhicules en vol, comme les rotors ou les buses, qui émettent leur rayonnement de corps noir autour de 4 µm.
Une façon de contrer ces missiles et de les faire rater la cible est d’aveugler leurs détecteurs intégrés avec des sources de SC large bande et haute puissance dans le moyen-infrarouge [5]. Ces systèmes de contre-mesures infrarouges directionnelles (DIRCM) qui incluent un laser SC sont placés sur des véhicules en vol de manière similaire à celle de la Fig. 6 et ont un bras rotatif pour balayer un très large volume autour de l’avion ou de l’hélicoptère.
Photonique ultra-rapide
Enfin, les sources de SC dans le moyen-infrarouge sont également largement utilisées ou étudiées dans les laboratoires d’optique pour stabiliser les lasers à peigne de fréquence [7] ou générer des impulsions de quelques cycles dans le moyen-infrarouge [8]. Pour la plupart de ces applications, les propriétés de cohérence du supercontinuum dans le moyen-infrarouge sont cruciales.
Comment générer un supercontinuum dans le moyen-infrarouge?
Les supercontinuums sont générés à partir de processus non linéaires dans un milieu fortement non linéaire dans un espace très confiné où l’intensité du laser initial est élevée. Un tel processus dépend des propriétés du laser d’entrée ainsi que de la dispersion et des propriétés non linéaires du milieu [9]. Les mécanismes physiques impliqués dans la génération du supercontinuum sont très complexes et font l’objet d’un domaine de recherche intensif en optique non linéaire. Les deux principales méthodes pour générer une source de SC dans le moyen-infrarouge sont les suivantes
Pompage direct dans le moyen-infrarouge
La méthode consiste à focaliser un laser mid-IR à impulsion courte, de haute puissance et à pic dans un milieu fortement non linéaire comme les fibres de chalcogénure, le germanium, le silicium, etc. La complexité de cette méthode réside principalement dans la disponibilité d’une impulsion laser mid-IR simple et courte. De plus, une grande cohérence et une grande stabilité impulsion par impulsion peuvent être obtenues lorsque des lasers femtosecondes sont combinés avec des milieux non linéaires à dispersion normale.
Processus en cascade dans les fibres optiques
La méthode consiste à injecter un laser semence infrarouge proche de ns ou ps dans une série de fibres passives ou actives avec une transmission étendue dans le moyen-infrarouge. Bien que les lasers semences infrarouges proches soient très bon marché et simples, seule une petite fraction de la lumière convertie atteint avec succès la région spectrale du moyen-infrarouge. De nouveaux amplificateurs à fibres efficaces peuvent augmenter significativement ce taux de conversion dans le moyen-infrarouge.
Quelles sont les exigences pour la plupart des applications ?
Les applications énumérées ci-dessus nécessitent des sources de supercontinuum compactes, peu coûteuses, avec une luminosité élevée (une énergie d’impulsion ou une puissance moyenne élevée), une cohérence spectrale élevée (dans certaines applications seulement) et une stabilité impulsion par impulsion élevée.
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