Nice : les physiciens de l'Institut Non Linéaire créent un nouveau laser

Vue d'artiste d'un laser.

En soumettant un nuage d'atomes froids à une combinaison astucieuse de faisceaux lasers, des physiciens de l’institut Non Linéaire de Nice ont créé un nouveau laser, sans l'aide d'aucun miroir : le piégeage de la lumière est fourni par la diffusion multiple entre atomes. C'est le premier "laser aléatoire" basé sur une vapeur atomique et qui pourrait simuler les conditions nécessaires pour des lasers astrophysiques.

Le premier "laser aléatoire" basé uniquement sur une vapeur atomique

Un laser traditionnel est constitué d'un milieu à gain placé dans une cavité optique qui piège la lumière pour que celle-ci passe de nombreuses fois dans le milieu à gain. C'est cette rétroaction qui induit le seuil caractéristique de l'effet laser. Il a été anticipé dès la fin des années 60 qu'un comportement similaire peut être obtenu en remplaçant la cavité par de la diffusion multiple au sein du milieu à gain lui-même.

Cet effet a été évoqué en astronomie pour expliquer les propriétés de certaines raies d’émission. Plus récemment, ces "lasers aléatoires" sont devenus un sujet d'étude important en photonique, leurs propriétés étant très débattues. Aujourd'hui, des physiciens de l'Institut Non Linéaire de Nice (unité mixte de recherche CNRS et Université Nice Sophia-Antipolis) ont réalisé le premier laser aléatoire basé uniquement sur une vapeur atomique, en utilisant un nuage d'atomes froids. Cette réalisation fait l'objet d'un article dans la revue Nature Physics.

Avantage : ses composants, les atomes, sont modélisables

Pour obtenir ce résultat, il fallait combiner gain et diffusion multiple au sein du même échantillon, c'est‐à-dire avec les mêmes atomes. Cela n'a rien d'évident car en général, les deux phénomènes se produisent à des fréquences différentes. Pour surmonter l'obstacle, les chercheurs ont joué avec la richesse de la structure électronique de l'atome de rubidium utilisé, ce qui leur a permis de bénéficier d'un mécanisme de gain dont il est possible de faire varier la fréquence.

A l’aide de deux lasers extérieurs aux paramètres bien choisis, ce gain peut être combiné avec de la diffusion produite par une autre raie atomique, et ceci de manière quasi-continue. Dans ces conditions, la fluorescence du nuage atomique augmente et, comme prédit pour un laser aléatoire, cette augmentation a un seuil avec la taille de l'échantillon.

Un pont entre l'optique et l'astrophysique

L'avantage de ce nouveau type de laser aléatoire est que ses composants, les atomes, sont très bien modélisables. Il peut donc être utile pour tester les différentes approches théoriques existantes pour décrire les lasers aléatoires. De plus, il se rapproche des systèmes astrophysiques et pourrait donc aider à mieux les comprendre.

Ce résultat jette donc un pont entre l’optique étudié à l’Institut Non Linéaire de Nice et l’astrophysique, étudié à l’Observatoire de la Côte d’Azur. Un rapprochement de thématiques qui promet d’être fructueux pour la science niçoise.