Lumière Démêlante

AJ Fleisher (à droite) et Tobias Herman (à gauche) avec la configuration expérimentale. Un laser produit de la lumière qui est manipulée sur la table pour créer deux peignes de fréquences optiques. La lumière de ces peignes est combinée et introduite dans le câble à fibre optique qui contient le capteur photonique, situé à l'intérieur d'un puits à température contrôlée. Enfin, le signal lumineux est lu par des détecteurs RF.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Les thermomètres photoniques, qui mesurent la température à l'aide de la lumière, ont le potentiel de révolutionner la mesure de la température en étant plus rapides, plus petits et plus robustes que les thermomètres traditionnels. Essentiellement, les capteurs fonctionnent en faisant passer la lumière dans une structure sensible à la température. La lumière qui sort de l’appareil donne aux scientifiques des informations sur la température à laquelle le capteur a été exposé.

Un jour, ces minuscules thermomètres – ainsi que d’autres types de capteurs photoniques, qui mesurent la contrainte, l’humidité, l’accélération et d’autres quantités – pourraient être intégrés dans des structures telles que des bâtiments ou des ponts au fur et à mesure de leur construction. En mesurant ces propriétés au fur et à mesure de la prise du béton ou du ciment, les capteurs photoniques pourraient fournir aux ingénieurs des informations précieuses sur la façon dont la structure s'est formée, ce qui pourrait les aider à prévoir l'évolution de la structure à long terme.

Mais un problème que les chercheurs n’ont pas encore résolu est celui de la meilleure façon « d’interroger » ces capteurs photoniques, c’est-à-dire d’y faire entrer et d’en extraire la lumière. Les méthodes traditionnelles, qui consistent à utiliser des lasers pour créer chaque fréquence de lumière entrant dans le capteur, sont difficiles, lentes, coûteuses et volumineuses.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut national des normes et technologies (NIST) ont conçu et testé un moyen d'interroger ces capteurs environ 10 à mille fois plus rapidement que les méthodes précédentes. Pour ce faire, ils utilisent ce qu'on appelle un système de peigne à double fréquence, utilisé dans le passé pour des tâches telles que la mesure de traces de gaz à effet de serre, mais jamais utilisé auparavant avec des thermomètres photoniques.

L’expérience de démonstration de principe les rapproche de la commercialisation de cette technologie.

"J'ai été surpris de voir à quel point cela a fonctionné", a déclaré Zeeshan Ahmed du NIST.

Un avantage supplémentaire est que, contrairement aux méthodes traditionnelles d'entrée et de sortie de la lumière dans les capteurs, le système à double peigne pourrait prendre en charge plusieurs capteurs photoniques à la fois, réduisant ainsi davantage la taille et le coût d'un futur système commercialisé.

Pour utiliser un thermomètre photonique, les chercheurs ont introduit de la lumière de plusieurs longueurs d'onde dans un câble à fibre optique. Cette lumière interagit avec un capteur quelconque - dans ce cas, un type de réseau constitué d'une série de marques de gravure à l'intérieur de la fibre.

Sean Kelley/NIST

La manière dont la lumière interagit avec le réseau dépend de la température. Et le signal que les chercheurs reçoivent de l'exposition à une température est une diminution de l'amplitude - essentiellement un "creux" - de la lumière provenant de l'une des nombreuses longueurs d'onde qu'ils mettent dans la fibre. La longueur d'onde dans laquelle se trouve le creux leur indique la température que subit le capteur.

Mais comment faire entrer les différentes longueurs d’onde de lumière dans la fibre ?

Une méthode traditionnelle consiste à « balayer » le laser, en créant une série de longueurs d'onde différentes, une à la fois, et en envoyant chacune d'elles dans le capteur. Pour maintenir l'exactitude, les chercheurs doivent effectuer une étape supplémentaire consistant à comparer chaque longueur d'onde à une norme qui vérifie que la longueur d'onde qu'ils génèrent est celle qu'ils voulaient.

"C'est une façon lente de faire les choses", a déclaré Ahmed. C'est un peu comme jouer à Vingt Questions : vous demandez au capteur : est-ce que cette longueur d'onde est celle avec le creux ? Non. Et celui-là ? Non.

La vitesse est particulièrement un problème pour les applications où les températures changent rapidement - par exemple, lors de la mesure de changements de température d'une microseconde (millionième de seconde) à la suite d'une dose de rayonnement en radiothérapie, un type de traitement du cancer qui utilise des faisceaux de lumière pour chauffer et tuer les cellules cancéreuses.