Cette technologie pourrait servir au développement de lasers chirurgicaux et médicaux plus performants, de contre-mesures laser plus efficaces à usage militaire et de lasers plus sensibles à l'environnement, comme ceux utilisés pour mesurer les contaminants et détecter la propagation d'agents chimiques dans le cadre d'attaques bioterroristes. Les travaux de l'équipe seront publiés dans la revue Advanced Materials.
« Dire que la fibre optique est la pierre angulaire de l'ère de l'information moderne est devenu un lieu commun », a déclaré Badding. « Ces fibres longues et fines, trois fois plus épaisses qu'un cheveu, peuvent transmettre plus d'un téraoctet d'informations par seconde. Pourtant, il est toujours possible d'améliorer les technologies existantes. » Badding a expliqué que la technologie de la fibre optique a toujours été limitée par l'utilisation d'un cœur en verre. « Le verre présente une disposition aléatoire des atomes », a-t-il précisé. « À l'inverse, une substance cristalline comme le séléniure de zinc est hautement ordonnée. Cela permet à la lumière de se propager à des longueurs d'onde plus importantes, notamment dans l'infrarouge moyen. ».
Contrairement au cristal de silice, traditionnellement utilisé dans les fibres optiques, le séléniure de zinc est un composé semi-conducteur. « Nous savons depuis longtemps que le séléniure de zinc est un composé utile, capable de manipuler la lumière d'une manière impossible pour la silice », explique Badding. « La difficulté résidait dans l'intégration de ce composé dans une structure fibreuse, une première. » Grâce à une nouvelle technique de dépôt chimique sous haute pression mise au point par Justin Sparks, doctorant au Département de chimie, Badding et son équipe ont déposé des noyaux guides en séléniure de zinc à l'intérieur de capillaires en cristal de silice pour former cette nouvelle génération de fibres optiques. « Le dépôt sous haute pression est la seule méthode permettant la formation de noyaux de fibres en séléniure de zinc aussi longs et fins dans un espace aussi restreint », précise Badding.
Les scientifiques ont découvert que les fibres optiques en séléniure de zinc pouvaient être utiles à deux égards. Premièrement, ils ont observé que ces nouvelles fibres convertissent la lumière d'une couleur à une autre plus efficacement. « Lorsque les fibres optiques traditionnelles sont utilisées pour des échantillons, des affichages ou des œuvres d'art, il n'est pas toujours possible d'obtenir les couleurs souhaitées », explique Badding. « Le séléniure de zinc, grâce à un procédé appelé conversion de fréquence non linéaire, est plus apte à changer de couleur. »
Deuxièmement, comme Badding et son équipe l'avaient prévu, ils ont constaté que cette nouvelle génération de fibres offre une plus grande flexibilité, non seulement dans le spectre visible, mais aussi dans l'infrarouge. La technologie des fibres optiques actuelle est peu efficace pour la transmission de la lumière infrarouge. Cependant, les fibres optiques en séléniure de zinc développées par l'équipe de Badding sont capables de transmettre des longueurs d'onde infrarouges plus longues. « Exploiter ces longueurs d'onde est très prometteur, car cela représente un pas en avant vers la fabrication de fibres pouvant servir de lasers infrarouges », explique Badding. « Par exemple, l'armée utilise actuellement une technologie laser-radar qui fonctionne dans le proche infrarouge, soit une gamme de 2 à 2,5 µm. Un dispositif capable de gérer l'infrarouge moyen, soit toute la gamme des 5 µm, serait plus précis. Les fibres que nous avons créées peuvent transmettre des longueurs d'onde jusqu'à 15 µm. ».
Badding a également expliqué que la détection des polluants et toxines environnementaux pourrait constituer une autre application de la technologie laser-radar améliorée, capable d'interagir avec la lumière de plus grandes longueurs d'onde.
De plus, Badding mentionne que la fibre optique en séléniure de zinc pourrait ouvrir de nouvelles perspectives de recherche susceptibles d'améliorer les techniques chirurgicales assistées par laser, telles que la chirurgie réfractive de la rétine.
Outre Badding et Sparks, Rongrui He, du département de chimie et des matériaux de l'Institut de recherche de Penn State ; Mahesh Krishnamurthi et Venkatraman Gopalan, du département de science et génie des matériaux et de l'Institut de recherche sur les matériaux de Penn State ; et Pier J.A. Sazio, Anna C. Peacock et Noel Healy, du Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton. Ces travaux ont bénéficié du soutien technique du Conseil de la recherche en ingénierie et en sciences physiques, de la Fondation nationale pour la science et du Centre de recherche en science des matériaux de l'Université d'État de Pennsylvanie.
