Source: ULB

Des chercheurs de l'ULB - service Optique non linéaire théorique, Faculté des Sciences – et de l'ICFO - Institut de sciences photoniques de Barcelone – ont réussi à générer une onde de seconde harmonique avec seulement une centaine de molécules.
Cette première est publiée dans la revue Nature Communications du 29 mars.

L'onde de seconde harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les « courants...) est un processus optique non linéaire par lequel une ondeà une fréquence optique déterminée donne lieu à une nouvelle onde, généralement de très faible intensité, à la fréquence double.

Cette génération de seconde harmonique fut observée pour la première fois en 1961 dans l'année qui suivit l'invention du laser. Depuis, le phénomène est utilisé couramment pour obtenir de nouvelles fréquences optiques à partir du nombre limité de fréquences disponibles avec les lasers.

A l'origine de cet effet, on trouve les charges électriques de molécules qui, sous l'effet du champ électrique d'une ondeoptique, oscillent autour d'une position d'équilibre.

On peut se représenter une molécule comme des points reliés par des ressorts et sur lesquels le champ électrique pousse et tire périodiquement. Aux faibles intensités lumineuses, les ressorts de la molécule sont suffisamment peu étirés pour que les charges électriques de la molécule oscillent fidèlement à la fréquence de départ. Par contre, quand l'intensité lumineuse augmente, les ressorts de la molécule se déforment tellement que les forces de rappel ne sont plus uniquement proportionnelles au déplacement ; le carré de celui-ci intervient aussi. Et quand on prend le carré d'une onde sinusoïdale, on obtient une nouvelle onde qui comporte une fréquence double de la fréquence initiale. Dès lors, le mouvement oscillant des charges électriques comporte une petite composante à la fréquence double et c'est cela qui donne lieu à un rayonnement de seconde harmonique.

En pratique, le signal émis par molécule est très faible et un très grand nombred'entre elles est nécessaire pour générer un signal détectable.

Dans ce travail, les chercheurs sont parvenus pour la première fois à obtenir une onde de seconde harmonique avec seulement une centaine de molécules.

Pour y arriver, les expérimentateurs d'ICFO (Institut de sciences photoniques, Barcelone), aidés par l'analyse théorique de Gregory Kozyreff du groupe d'Optique Non-linéaire Théorique de l'ULB, ont fabriqué une microsphère de silice, qu'ils ont recouverte d'une couche très fine et très diluée de molécules non linéaires.

Lorsqu'on injecte de la lumière dans une telle sphère, elle peut y rester pendant un temps extrêmement long en tournant un grand nombre de fois le long de l'équateur.

Il s'agit là d'un mode de galerie, par analogie à un phénomène acoustique bien connu dans la coupole de la cathédrale St Paul à Londres, les modes de galerie chuchotants. Ces modes acoustiques furent décrits pour la première fois par Lord Rayleigh en 1910 et permettent à deux personnes diamétralement opposées dans la coupole de se comprendre en chuchotant près du mur incurvé de la coupole.

Dans le cas des microsphères, le même phénomène se produit mais avec des ondes lumineuses. Une onde ainsi piégée peut interagir un très grand nombre de fois avec une même molécule située près de l'équateur, ce qui démultiplie les effets non linéaires.

Ce phénomène pourrait être mis à profit pour détecter un faible nombre de molécules qui viendraient s'attacher à la sphère.
En préparant la sphère pour qu'elle n'accepte qu'un type de molécule bien choisi à sa surface, on pourrait détecter des concentrations infimes de ces molécules dans un environnement donné par l'émission de seconde harmonique qu'elles génèreraient. Ceci pourrait être utile afin de détecter la présence de molécules toxiques, voire complémenter l'odorat des chiens pour la recherche d'explosifs, cf "nez optique".

Publication:
JL Dominguez-Juarez, G. Kozyreff & Jordi Martorell, Whispering gallery microresonators for second harmonic light generation from a low number of small molecules, Nature Communications, 29 mars 2011
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1253