Des financements pour le développement des lasers à cristaux liquides à Cambridge

Depuis 2001, un groupe de recherche du département de sciences de l’ingénieur de l’Université de Cambridge, et qui fait maintenant partie du Centre of Molecular Materials for Photonics and Electronics (CMMPE, ouvert en février 2003), travaille sur la fabrication de lasers à base de cristaux liquides dopés avec des colorants. Selon les chercheurs de ce groupe, l’idée a été proposée pour la première fois en 1994.

La phase cristal chiral nématique (aussi appelée phase cristal cholestérique) et la phase cristal smectique C chiral possèdent toutes deux une structure hélicoïdale avec un changement répété de l’indice de réfraction. Cette structure répétitive donne naissance à une bande interdite photonique à une dimension (ou BIP), dans la direction de l’axe de l’hélice, et donc à des propriétés optiques bien particulières. Ainsi, on observe des réflexions si la longueur d’onde de la lumière incidente dans l’axe de l’hélice est de l’ordre de grandeur d’un demi pas de l’hélice. En incluant des colorants fluorescents et grâce à un pompage optique, une émission laser peut donc être induite à l’extrémité de la bande interdite (là où la vitesse de groupe du photon s’approche de zéro). Le colorant fluorescent est choisi de telle sorte que son pic d’émission coïncide avec la longueur d’onde réfléchie par le cristal.

Ces nouvelles formes de laser ont été baptisées Photonic Band Edge Lasers (ou PBELs). De tels lasers sont uniques du fait de leur structure sous forme de couche mince et de leur possibilité de réglage : en effet, les propriétés caractéristiques du cristal liquide employé permettent de facilement régler la longueur d’onde de la lumière émise. Le réglage peut être obtenu en variant la température, l’additif chimique ou à travers l’application et le contrôle de champs extérieurs. En appliquant une différence de potentiel à la couche de cristal liquide on peut en effet étirer ou contracter l’hélice et ainsi modifier la longueur d’onde réfléchie.

Schéma de principe du laser à cristal liquide - source : Université de Cambridge

Ce type de laser semble très prometteur car, selon les scientifiques, il devrait combiner les meilleures propriétés d’autres lasers (laser à colorant, laser à gaz et diode laser). Les lasers à colorant peuvent être réglés pour émettre à différentes longueurs d’onde mais ils sont de grande taille. Les lasers à gaz sont puissants et stables mais ils ne peuvent être réglés en longueur d’onde et sont également de grande taille. Enfin, les diodes lasers, comme celles utilisées dans les lecteurs de CD ou de DVD, sont de petite taille mais ne peuvent être réglées. Or, comme on l’a vu, non seulement les lasers à cristaux liquides devraient être réglables, mais aussi de petite taille. Les chercheurs estiment que ces objets devraient être moins larges qu’un cheveu humain (moins de 10 micromètres), d’une grande stabilité et d’un faible coût. Ils pourraient alors trouver des applications dans le domaine médical : incorporés par exemple dans des fibres optiques, ces lasers pourraient être utilisés dans la cadre du laboratoire sur puce. Dans le domaine des télécommunications, les PBELs seraient suffisamment petits pour être utilisés comme des sources de lumières individuelles dans des matrices mégapixels.

Pour soutenir les recherches de l’Université de Cambridge sur ce sujet, le conseil de recherche EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) a attribué 2,4 millions de livres (environ 3,5 millions d’euros) à une équipe composée de scientifiques du département de sciences de l’ingénieur, du département de physique et du département de chimie de l’université. Ce financement rentre dans le cadre du programme Basic Technology Research Initiative de ce conseil de recherche et court sur quatre années à partir du 1^er janvier 2006. Les chercheurs de Cambridge se proposent d’essayer de fabriquer des microlasers stables sur une gamme de température allant de -20 à +80 °C, gamme pour laquelle la couleur d’émission peut être réglée en appliquant des tensions faibles (moins de 10 V). Ces dispositifs optiques seront fabriqués soit à partir de cristaux liquides cholestériques soit à partir de films polymères cholestériques. Dans le cas de ces derniers, la longueur d’onde émise ou réfléchie est modifiée par l’application d’une force mécanique. L’équipe étudiera l’influence de la structure chimique, des propriétés optiques, électriques et mécaniques ainsi que de la viscosité et de l’élasticité sur l’efficacité du dispositif. Elle s’efforcera ensuite de fabriquer des puces et des dispositifs à base de fibres optiques mais également des films lasers plats à deux dimensions et de grande surface. Les scientifiques de Cambridge ont également découvert des matériaux cholestériques très stables qui présentent des hélices dans trois directions à angle droit : ils veulent les utiliser pour fabriquer des lasers en trois dimensions ou des cubes émettant de la lumière.

Sources : Département de Sciences de l’Ingénieur, Université de Cambridge, 12/12/05 ; Centre de matériaux moléculaires pour la photonique et l’électronique, Université de Cambridge ; PhysOrg, 13/12/05 ; EPSRC Grant Portfolio

Auteur : D^r Anne Prost