Expérience : doublement de fréquence

Des projections télé sur grand écran avec une netteté à couper le souffle ! Voilà ce que promettent les nouveaux systèmes laser qui devraient bientôt supplanter nos téléviseurs traditionnels.À l'Institut de cristallographie de l'Université de Cologne, les chercheurs mettent au point les cristaux qui sont au cœur de ces systèmes. Car c'est à l'intérieur de ces cristaux que naît la lumière laser.

Dr. Petra Becker : Le problème du laser est qu'on dispose seulement de quelques fréquences bien déterminées. Mais pour les télécommunications et la transmission optique de données, notamment, on a besoin d'autres fréquences, en particulier dans le domaine des courtes longueurs d'onde. Bien souvent, on les produit en doublant la fréquence d'une lumière laser existante. Sa couleur change donc en direction des longueurs d'onde plus courte. C'est ce type de cristaux que nous essayons de mettre au point.

Les scientifiques de Cologne ont découvert un nouveau cristal qui paraît très prometteur. Grâce à lui, ils vont maintenant essayer de doubler la fréquence des ondulations de la lumière. Il s'agit d'un cristal de triborate de bismuth. L'expérience en cours vise à vérifier si le cristal peut transformer efficacement une lumière infrarouge invisible en une lumière verte visible. Les matières premières du cristal sont d'abord pesées sous forme de poudres, mélangées soigneusement dans un mortier, puis placées dans un creuset.
Le mélange est fondu à 800 degrés et homogénéisé pendant deux jours. On le laisse ensuite refroidir un peu avant de le placer dans le four de croissance proprement dit. Grâce à un germe, le cristal de triborate de bismuth va naître de la matière incandescente, par un processus qui va durer plusieurs semaines.
On examine alors le cristal et on le mesure avec précision, afin de vérifier qu'il est bien formé et qu'il convient à l'expérience de doublement de fréquence.
L'examen porte notamment sur les indices de réfraction du cristal. À partir de ces indices, les scientifiques déterminent les directions dans lesquelles la lumière laser doit pénétrer dans le cristal pour obtenir un doublement de sa fréquence.
Le cristal fabriqué remplit toutes les conditions et des petits fragments sont donc découpés à partir du cristal dans les directions calculées. L'effet de doublement de la fréquence résulte de la constitution interne des cristaux. Ils doivent présenter une certaine symétrie. Cet effet optique des cristaux a été découvert dans les années soixante, mais on ne disposait pas encore de matériaux optimum.

Dr. Petra Becker : Si l'expérience se passe bien, nous allons obtenir une très belle lumière laser verte à partir de lumière infrarouge. C'est-à-dire que nous envoyons un laser infrarouge invisible sur notre cristal, et le cristal va produire une lumière laser verte que nous pourrons observer.

Usiné et poli soigneusement, l'échantillon de cristal est ensuite placé sur le banc d'essai laser.
Un laser de repérage rouge permet de positionner exactement le cristal.
Le cristal est maintenant ajusté. Nous éteignons la lumière et mettons en route le laser à infrarouge, qui produit un rayonnement invisible.
L'expérience a réussi. En la répétant plusieurs fois, on constate que le cristal de triborate de bismuth est très efficace pour doubler la fréquence d'oscillation de la lumière infrarouge et produire de la lumière verte.Un cristal optimisé pour les applications de télécommunications optiques sera bientôt disponible.