Rendre l’or transparent pour générer des impulsions laser ultra brèves

Trois équipes de recherche du laboratoire ICB (département Photonique) ont vu leurs travaux de recherche publiés le 31 mars dans la revue scientifique Light : Science & Applications.

Dans ce travail, les chercheurs se sont intéressés aux propriétés d’absorption saturable des nanoparticules d’or et à leur application pour générer des impulsions laser ultracourtes de façon stabilisée. Pour cela, les chercheurs ont mis au point une expérience pour étudier et contrôler ce phénomène en mobilisant le savoir-faire du laboratoire en conception laser, en nanotechnologies et en optique de champ proche.

Sur la base de prédictions numériques, des méta-surfaces plasmoniques – i.e. un pavage bidimensionnel des nanoparticules d’or de forme arbitraire disposé sur une lame de microscope – ont été fabriquées à l’aide des outils de nanofabrication de la plateforme ARCEN CARNOT du laboratoire. Les dispositifs ont ensuite été testés à l’aide des équipements de la plateforme PICASSO du département Photonique.

L’effet recherché était bien au rendez-vous des premières expériences mais son intensité s’est révélée particulièrement surprenante. En effet, là où les matériaux usuels utilisés comme absorbants saturables présentent des modulations d’absorption de quelques pourcents, certaines méta-surfaces réalisées présentaient des amplitudes de modulation supérieures à 50%. Afin d’expliquer ce phénomène, les chercheurs ont renouvelé leurs expériences en variant la forme et les dimensions des nanoparticules. L’analyse des résultats obtenus dans les différentes configurations a finalement permis d’établir sans ambiguïté le lien entre les résonances plasmoniques des nanoparticules d’or et l’intensité inattendue de l’effet observé. Les chercheurs du laboratoire ont finalement intégré les meilleures méta-surfaces saturables au sein d’une cavité laser à fibre optique dopée, spécialement conçue à cet effet. De cette manière, ils ont pu tester leur comportement dynamique en étudiant la durée et la stabilité des impulsions générées par la cavité laser. En particulier, pour certaines méta-surfaces, les trains d’impulsions obtenus se sont révélés remarquablement stables et ce pour des durées d’impulsion de quelques centaines de femtosecondes.

Vue schématique de l’architecture laser réalisée. Des métasurfaces plasmoniques (vue au microscope électronique à balayage en insert) jouent le rôle d’absorbant saturable dans une cavité laser à fibre dopée erbium (EDF) afin de produire des impulsions femtosecondes avec une grande stabilité.

Ces résultats démontrent l’efficacité des méta-surfaces plasmoniques comme absorbant saturable dont la fonction de transfert non-linéaire peut être ajustée par le design. Ces travaux ouvre un nouveau champ d’application pour les nanoparticules métalliques. Cela pourra trouver des applications non seulement dans le domaine des laser mais aussi dans les futurs calculateurs neuromorphiques dont le cœur est bâti autour de composants aux fonctions de transfert non-linéaires.  

• Pour plus d’informations : Jiyong Wang, Aurelien Coillet, Olivier Demichel, Zhiqiang Wang, Davi Rego, Alexandre Bouhelier, Philippe Grelu et Benoit Cluzel, Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking, Light Sci Appl 9, 50 (2020)
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