Le savon est depuis longtemps un produit de base, mais des scientifiques slovènes lui ont désormais trouvé une nouvelle utilisation en transformant les bulles de savon en minuscules lasers. Travaillant à l'Institut Jožef Stefan et à l'Université de Ljubljana, ils ont commencé par créer des bulles de savon de quelques millimètres de diamètre. Lorsqu’ils les ont mélangés avec un colorant fluorescent et les ont pompés avec un laser pulsé, les bulles ont commencé à émettre un laser. Les longueurs d'onde de la lumière émise par la bulle sont très sensibles à sa taille, ouvrant la voie aux capteurs laser à bulle capables de détecter de minuscules changements de pression ou de champ électrique ambiant.

Un laser nécessite trois composants clés : un milieu de gain, une source d'énergie pour le milieu de gain et un résonateur optique. Le milieu de gain amplifie la lumière, ce qui signifie que pour chaque photon entrant dans le milieu de gain, plus d’un photon en sort. Ce phénomène peut être exploité en plaçant le milieu gainant dans un résonateur – par exemple entre deux miroirs ou à l’intérieur d’une boucle – de telle sorte que les photons émis par le milieu gainant le traversent pour créer un faisceau lumineux amplifié et cohérent.

C’est exactement ce que font les lasers à bulles de savon. Pour les faire, Matjaž Humar et Zala Korenjak a mélangé une solution savonneuse standard avec un colorant fluorescent, qui agit comme milieu de gain. Les bulles se forment à l'extrémité d'un tube capillaire et leur illumination avec un laser pulsé pompe le milieu de gain. La lumière produite par le milieu de gain circule le long de la surface de la bulle, qui agit comme un résonateur.

Pour caractériser la sortie de la bulle, les chercheurs ont utilisé un spectromètre pour mesurer les longueurs d'onde de la lumière qu'elle produit. Ce n'est que lorsque le système atteint un seuil d'énergie de pompage que les chercheurs voient des pics dans le spectre de longueur d'onde de la bulle – un marqueur clé du laser.

De la cathédrale Saint-Paul à la surface d'une bulle de savon

Former un résonateur à partir d’une sphère n’est pas nouveau en soi. Les microcavités formées dans des sphères, des anneaux et des tores ont toutes trouvé des utilisations dans la détection et sont connues sous le nom de résonateurs en mode galerie chuchotante, du nom de la célèbre galerie chuchotante de la cathédrale Saint-Paul de Londres. Dans cette grande pièce circulaire, deux personnes placées face au mur sur des côtés opposés peuvent s'entendre même à voix basse grâce au guidage efficace des ondes sonores le long des murs incurvés de la pièce.

De la même manière, Humar et Korenjak ont ​​découvert que la lumière se propage le long de la surface de la bulle de savon dans leur laser et apparaît comme une bande brillante sur la coque de la bulle. Lorsque la lumière se déplace autour de la surface de la bulle, elle interfère, créant des « modes » distincts du résonateur. Ces modes apparaissent sous la forme d'une série de pics régulièrement espacés dans le spectre de longueurs d'onde de la bulle.

N'éclate pas ma bulle

"Il existe de nombreux micro-résonateurs utilisés comme cavités laser, notamment des coques sphériques solides", note Matjaž. "Les bulles de savon, cependant, n'ont pas encore été étudiées en tant que cavités optiques."

Cela peut être dû en partie au fait que les lasers à bulles fabriqués à partir de savon ont une praticité limitée. À mesure que l'eau s'évapore de la surface de la bulle, l'épaisseur de la bulle change rapidement jusqu'à ce qu'elle éclate.

Une solution plus pratique recherchée par les chercheurs consiste à créer des bulles à partir de cristaux liquides smectiques. Ceux-ci ne contiennent pas d’eau et peuvent former des bulles très fines, généralement d’environ 30 à 120 nanomètres (nm) d’épaisseur. Ces lasers à bulles smectiques sont plus stables et peuvent survivre presque indéfiniment. Comme l'explique Matjaž, les bulles plus épaisses (telles que celles créées par le savon) permettent de nombreux modes dans le résonateur, ce qui entraîne de nombreux pics, éventuellement chevauchants, dans le spectre de longueurs d'onde. Les bulles plus fines (moins de 200 nm) n'autorisent cependant qu'un seul mode dans le résonateur. Ce fonctionnement monomode se manifeste par des pics uniformément répartis dans les spectres laser.

Les chercheurs ont démontré que la longueur d’onde émise par les lasers à bulles pouvait être ajustée en modifiant leur environnement. Plus précisément, la modification des pressions ambiantes ou des champs électriques a modifié la taille de la bulle, ce qui modifie la taille du résonateur et, par conséquent, la longueur d'onde de l'émission laser. Les mesures présentées montrent que les lasers à bulles smectiques sont sensibles à des champs électriques aussi petits que 0.35 V/mm et à des changements de pression de 0.024 Pa – soit au même niveau, voire mieux, que certains capteurs existants.

Le duo décrit son travail dans Examen physique X.

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• La source: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/