Un mécanisme qui transfère de l'énergie de l'azote à l'argon permet le lasing bidirectionnel en cascade dans l'air atmosphérique.

23 août 2024 Article de fond

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par Ingrid Fadelli , Phys.org

Pour produire de la lumière, les lasers s'appuient généralement sur des cavités optiques, des paires de miroirs face à face qui amplifient la lumière en la faisant rebondir d'avant en arrière. Récemment, certains physiciens ont étudié la génération de « lumière laser » en plein air sans utiliser de cavités optiques, un phénomène connu sous le nom de laser sans cavité dans l'air atmosphérique.

Des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et du Max Born Institute ont récemment dévoilé un mécanisme physique qui conduit à ce phénomène. Ce mécanisme, décrit dans un article de Physical Review Letters, consiste en un transfert d'énergie médié par des photons de l'azote (N2) à l'argon (Ar).

« Nous avons remarqué qu'il semblait y avoir une réduction jusqu'alors inconnue du taux d'ionisation de l'Ar dans le régime d'ionisation à champ élevé (en utilisant un laser à pompe de 261 nm) par rapport à celui prédit par la théorie PPT ou l'équation de Schrödinger dépendante du temps », a déclaré Chan Joshi, co-auteur de l'article, à Phys.org. « Nous voulions savoir si l'absorption résonante à 3 photons de photons de 261 nm dans l'Ar pouvait jouer un rôle dans la réduction. »

L'étude récente des collègues de Joshi s'appuie sur les efforts expérimentaux antérieurs de l'équipe. Lors de leurs nouvelles expériences, l'équipe a observé que l'absorption à 3 photons de photons de 261 nm par des atomes d'Ar est suivie de l'émission d'une superfluorescence en cascade, en particulier une émission bidirectionnelle sans cavité et de type laser.

« De plus, nous avons découvert de manière inattendue que la superfluorescence en cascade changeait de longueur d'onde si nous utilisions de l'air contenant 1 % d'Ar », a déclaré Zan Nie, l'auteur principal de l'article. « Des recherches plus poussées sur cet effet curieux ont permis de découvrir un nouveau mécanisme de laser dans l'air qui facilite le transfert d'énergie radiative de l'azote à l'Ar. »

Le nouveau mécanisme découvert par Joshi et ses collègues permet un laser bidirectionnel, bicolore et en cascade dans l'air atmosphérique. Ce mécanisme pourrait ainsi ouvrir de nouvelles voies pour la génération de lasers dans l'air en arrière, ce qui est un objectif de recherche de longue date au sein de la communauté des physiciens.

« Comme l'air ambiant contient différents composants, nous avons étudié ce problème en mélangeant d'abord de l'argon avec différents composants de l'air ambiant, par exemple les composants les plus et les deuxièmes plus abondants : l'azote et l'oxygène », explique Joshi. « Il s'est avéré que le mélange d'azote avec de l'argon a donné les mêmes résultats que l'utilisation de l'air ambiant, tandis que le mélange d'autres gaz comme l'oxygène ou l'hélium n'a pas donné les mêmes résultats. Par conséquent, grâce à cette expérience de comparaison, nous pouvons déduire que l'origine du laser dans l'air était due au couplage entre l'argon et l'azote. »

Joshi et ses collègues ont également montré que les molécules N2 dans un état d'excitation électronique présentent une absorption non linéaire à 3 photons pour 261 nm à des fréquences légèrement décalées par rapport à Ar. Ce décalage sert d'état excité supérieur pour la superfluorescence en cascade que l'équipe a observée. Dans leur article, les chercheurs présentent un modèle théorique qui explique la superfluorescence et ses mécanismes sous-jacents.

« La quête d'un laser efficace sans cavité en plein air dure depuis plus d'une décennie », a déclaré Misha Ivanov, co-auteur de l'article. « L'objectif clé, et plutôt difficile, est de réaliser un laser dans les deux sens. C'est-à-dire que vous voulez tirer un laser dans l'air et faire en sorte que l'air vous renvoie une explosion de lumière semblable à un laser. Cela serait très utile pour la télédétection, mais c'est tout simplement époustouflant. »

Cette étude récente menée par Nie, Ivanov, Joshi et leurs collègues a dévoilé un mécanisme jusqu'alors inconnu à médiation photonique qui transfère l'énergie de N2 à Ar, permettant ainsi un effet laser bidirectionnel en cascade dans l'air atmosphérique. À l'avenir, ce mécanisme pourrait être exploité pour réaliser un effet laser à air arrière, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour le développement de technologies de télédétection.

« Notre plan de recherche future consiste à étudier plus en détail la physique de ce mécanisme, comme le battement quantique », a ajouté Nie. « En termes simples, l'excitation simultanée de plusieurs niveaux d'Ar produit des oscillations de densité de charge dépendantes du temps. Ces fréquences de ces oscillations peuvent révéler l'existence de niveaux jusqu'alors inconnus non seulement d'Ar mais aussi de niveaux vibrationnels-rotatifs d'azote qui sont importants dans le processus de couplage radiatif. »

« Nous avons également des idées pour augmenter l'efficacité de l'effet laser à air arrière afin de rapprocher cette technique des applications réelles de la télédétection. »