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QUESTIONS À L'EXPERT   link

OPTIQUE Le plus petit laser au monde

Albert Le Floch est professeur émérite au laboratoire de chimie et photonique moléculaires, et au laboratoire de physique des lasers de l'université de Rennes-I.

Sur quelles limites de taille butent les lasers actuels ?

A.L.F. Les lasers utilisent des cavités optiques généralement constituées de deux miroirs. Ces miroirs entourent un milieu actif - un cristal, du gaz ou du verre, par exemple - qui permet d'amplifier la lumière traversant celui-ci. Mais ce processus ne peut se produire dans une cavité plus petite que la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Des expérimentateurs américains viennent de prouver que cette limite pouvait être franchie. Pour cela, il faut remplacer les cavités optiques par une oscillation collective d'électrons, appelée « plasmon de surface », autour d'une bille d'or. Leur invention a été baptisée « spaser », acronyme anglais de « Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation » [1] .

Comment fonctionne ce « spaser » ?

A.L.F. L'idée originale a été proposée en 2003 par les théoriciens David Bergman, de l'université de Tel-Aviv, en Israël, et Mark Stockman, de l'université de Géorgie, aux États-Unis. Une équipe de physiciens dirigés par Mikhail Noginov, de l'université d'état de Norfolk, en Virginie, l'a appliquée pour construire le premier spaser, qui fonctionne comme une sorte de laser - le plus petit jamais fabriqué dans le domaine de la lumière visible. Il est constitué d'un système de billes dont le diamètre dépasse à peine 40 nanomètres. Les billes sont composées d'un noyau d'or de 14 nanomètres, et d'une mince enveloppe de silice contenant un colorant organique. Un faisceau lumineux auxiliaire éclaire le système, ce qui entraîne la création d'un plasmon à la surface du noyau d'or. Il est amplifié via un processus de transfert énergétique utilisant le colorant organique. Les oscillations électroniques se convertissent alors, spontanément, en photons, dont la longueur d'onde (dans le vert) est de 531 nanomètres.

La taille du spaser pourrait-elle encore être diminuée ?

A.L.F. En principe oui, les auteurs estiment pouvoir réduire la taille des billes à quelques nanomètres. À terme, il serait possible d'utiliser un semi-conducteur à la place de l'enveloppe à colorant, afin de supprimer la source de lumière auxiliaire. Il faudra aussi caractériser et maîtriser l'ensemble des propriétés de la lumière émise. Une large gamme d'applications pourra alors être envisagée, dans le domaine de l'imagerie haute définition, de la nanophotonique ou du traitement optique de l'information.

Propos recueillis par Franck Daninos

 

[1] M. Noginov et al., Nature, 460, 1110, 2009.