Cette nouvelle génération de fibres optiques, qui permet une manipulation plus efficace et plus précise de la lumière, promet d'ouvrir la voie à une technologie laser-radar plus polyvalente.

Cette technologie pourrait être appliquée au développement de lasers chirurgicaux et médicaux plus performants, de contre-mesures laser améliorées 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 les fibres optiques sont 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 (l'équivalent de 250 DVD) d'informations par seconde. Pourtant, il est toujours possible d'améliorer les technologies existantes. » Badding a expliqué que la technologie des fibres optiques a toujours été limitée par l'utilisation d'un cœur en verre. « Le verre possède une structure atomique aléatoire », a-t-il précisé. À l'inverse, une substance cristalline comme le séléniure de zinc est très 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 semi-conducteur composé. « Nous savons depuis longtemps que le séléniure de zinc est un composé utile, capable de manipuler la lumière d'une manière impossible avec la silice », explique Badding. « La difficulté résidait dans l'intégration de ce composé dans une structure de fibre, une première. » Grâce à une nouvelle technique de dépôt chimique en phase vapeur à 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 en phase vapeur à 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 réduit », précise Badding.

Les scientifiques ont découvert que les fibres optiques en séléniure de zinc pourraient être utiles de deux manières. Premièrement, les nouvelles fibres se sont révélées plus efficaces pour convertir la lumière d'une couleur à une autre. « 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, permet de mieux modifier les couleurs. »

Deuxièmement, comme Badding et son équipe l'avaient prévu, ils ont constaté que cette nouvelle catégorie de fibres offre une plus grande flexibilité, non seulement dans le spectre visible, mais aussi dans l'infrarouge, un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est supérieure à celle de la lumière visible. La technologie des fibres optiques actuelle n'est pas efficace pour transmettre 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 intéressant 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 capable de traiter le proche infrarouge, soit une gamme de 2 à 2,5 microns. Un appareil capable de traiter l'infrarouge moyen, soit toute la gamme des 5 microns, serait plus précis. Les fibres que nous avons créées peuvent transmettre des longueurs d'onde allant jusqu'à 15 microns. »

Badding a également expliqué que la détection des contaminants et toxines environnementaux pourrait être une autre application de cette technologie laser-radar améliorée, capable d'interagir avec la lumière de longueurs d'onde plus longues.

« Différentes molécules absorbent la lumière à différentes longueurs d'onde ; par exemple, l'eau absorbe, ou bloque, la lumière à une longueur d'onde de 2,6 microns », a déclaré Badding. « Cependant, les molécules de certains polluants ou autres substances toxiques peuvent absorber la lumière à des longueurs d'onde beaucoup plus longues. Si nous pouvons transporter la lumière à des longueurs d'onde plus longues à travers l'atmosphère, nous pouvons voir les substances présentes beaucoup plus clairement. »

Badding mentionne également que la fibre optique en séléniure de zinc pourrait ouvrir de nouvelles perspectives de recherche susceptibles d'améliorer les techniques de chirurgie assistée par laser, telles que la chirurgie réfractive de la vue.

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. L'assistance technique pour ces travaux a été assurée par le Conseil de la recherche en ingénierie et en sciences physiques, la Fondation nationale pour la science et le Centre de recherche sur les matériaux de l'Université d'État de Pennsylvanie.