Récemment, l’équipe des professeurs He Zuyuan, Fan Xinyu et Wan Yangyang de l’École des Circuits Intégrés de l’Université Jiao Tong de Shanghai a réalisé une avancée majeure dans le domaine de la spectropolarimétrie calculée. L’équipe de recherche a proposé une nouvelle méthode de spectropolarimétrie calculée basée sur un milieu aléatoire à mode de fuite résonant, établi un modèle théorique unifié pour les systèmes de mesure optique calculée, et développé un spectropolarimètre calculé combinant une résolution ultra-élevée (20 fm), une large bande de mesure (150 nm) et une miniaturisation. Les résultats correspondants ont été publiés dans la revue internationale de premier plan Nature Communications sous le titre « Resonant microtaper leaky-mode computational spectropolarimetry with tens of femtometers spectral resolution and full Stokes measurement ».

La résolution spectrale atteint 20 femtomètres (1 fm = 10⁻¹⁵ m), ce qui équivaut à distinguer 7,5 millions de canaux spectraux indépendants dans une bande de mesure de 150 nm. Il s’agit de la résolution la plus élevée jamais rapportée publiquement dans le domaine de la spectropolarimétrie calculée.

La haute résolution spectrale et la miniaturisation sont difficiles à concilier

Le spectre et la polarisation sont les deux dimensions d’information les plus importantes du champ lumineux : le spectre peut refléter la composition des substances et les processus de réaction chimique, tandis que la polarisation révèle la texture de surface des objets, la chiralité moléculaire et la structure des tissus biologiques. La technologie de spectropolarimétrie capable d’acquérir simultanément ces deux types d’informations a une valeur applicative irremplaçable dans des domaines tels que la télédétection, la biomédecine, les communications optiques, l’inspection industrielle et l’observation astronomique.

Les spectropolarimètres traditionnels reposent sur des réseaux de diffraction, des prismes, des dispositifs de balayage et des modules d’analyse de polarisation complexes, ce qui entraîne un volume système important et une structure complexe, difficile à satisfaire aux exigences futures des instruments optiques en matière de miniaturisation, d’intégration et de hautes performances.

Ces dernières années, les spectromètres et polarimètres calculés émergents utilisent des milieux aléatoires pour générer des informations de speckle uniques, réalisant la mesure du champ lumineux par reconstruction calculée. Cependant, ce domaine est confronté depuis longtemps à deux goulots d’étranglement clés :

Absence de guide théorique unifié : les performances des systèmes construits avec différents milieux aléatoires varient considérablement, et le mécanisme déterminant la résolution n’est pas clair, ce qui rend difficile l’optimisation de la conception structurelle ;

Difficulté à concilier hautes performances et petite taille : les technologies existantes ne peuvent pas atteindre simultanément une résolution spectrale ultra-élevée, une large bande de mesure et une capacité de mesure complète de la polarisation.

De « l’aveugle qui touche l’éléphant » à la « formule unifiée »

Modèle théorique unifié : révéler l’essence de la résolution

L’équipe de recherche a d’abord établi un modèle théorique unifié applicable aux systèmes de mesure calculée à milieu aléatoire, tels que les spectromètres et polarimètres calculés, résolvant ainsi le dilemme de longue date de « savoir le comment sans savoir le pourquoi ».

Découverte clé : quel que soit le milieu aléatoire (transmission multimode, diffusion multiple ou réflexion multiple), sa capacité de mesure est finalement déterminée par la différence de chemin optique maximale (OPD) pouvant être formée à l’intérieur du milieu aléatoire. La théorie prouve que la variation spectrale minimale résoluble par le système est inversement proportionnelle à l’OPD, c’est-à-dire que plus l’OPD est grande, plus la résolution est élevée. Cela fournit un critère d’évaluation unifié pour les systèmes de mesure calculée et clarifie la direction théorique pour l’optimisation de la conception des milieux aléatoires.

Stratégie du mode de fuite résonant : créer un « chemin optique kilométrique » dans un espace millimétrique

Sous la direction de la théorie, l’équipe a proposé une architecture entièrement nouvelle de spectropolarimètre calculé à mode de fuite résonant (RLM), dont les innovations principales se manifestent à deux niveaux :

Premier niveau : fibre sans cœur conique excitant des modes de fuite d’ordre élevé

L’étude utilise une fibre sans cœur conique comme milieu aléatoire en remplacement de la fibre multimode traditionnelle. La structure conique permet d’exciter un plus grand nombre de modes de fuite avec des différences de constante de propagation plus importantes, augmentant considérablement la différence de chemin optique que le système peut former.

Deuxième niveau : couplage résonant avec le mode de galerie de chuchotement d’une microsphère

L’équipe a en outre introduit une microcavité à mode de galerie de chuchotement (WGM) de haute qualité, qui se couple de manière résonante avec les modes de fuite d’ordre élevé, prolongeant encore le chemin de propagation de la lumière. Cette conception augmente considérablement la différence de chemin optique effective dans une taille de dispositif extrêmement petite, générant une réponse de speckle plus complexe et plus sensible aux variations de longueur d’onde et de polarisation.

Essence physique : la lumière se couple de manière répétée entre le mode de fuite conique et le mode résonant de la microsphère, équivalant à réaliser un chemin optique effectif « kilométrique » dans un espace physique millimétrique.

Trois indicateurs atteignent tous les meilleurs niveaux mondiaux

Résolution spectrale : de 1,5 pm à 20 fm, une amélioration de 75 fois

Les résultats expérimentaux montrent qu’après l’introduction de la résonance de la microsphère WGM, la résolution spectrale du système est passée de 1,5 pm (picomètre) à 20 fm (femtomètre), soit une amélioration d’environ 75 fois. Une résolution de 20 femtomètres signifie que l’instrument peut distinguer deux signaux spectraux dont les longueurs d’onde diffèrent de seulement deux dix-millionièmes de nanomètre – la résolution la plus élevée jamais rapportée publiquement dans le domaine de la spectropolarimétrie calculée.

Mesure de polarisation : reconstruction complète de Stokes, erreur quadratique moyenne de seulement 4,732×10⁻⁶

En matière de mesure de polarisation, le système a réalisé une reconstruction complète des informations de polarisation de Stokes, avec une erreur quadratique moyenne globale de seulement 4,732×10⁻⁶, atteignant un niveau avancé au niveau international en termes de précision de mesure de polarisation. Les expériences ont également vérifié la capacité du système à effectuer simultanément la mesure des informations spectrales et de polarisation, réalisant une véritable mesure multidimensionnelle du champ lumineux.

Rapport bande/résolution et produit résolution-taille : deux records battus

Grâce à la stratégie d’optimisation du milieu aléatoire guidée par la théorie, l’équipe de recherche a obtenu les meilleurs niveaux mondiaux pour deux indicateurs de performance clés :

Ce résultat montre que la méthode proposée a efficacement brisé la relation de compromis classique entre résolution, bande passante et taille dans la mesure spectrale traditionnelle, ouvrant une toute nouvelle voie pour le développement de spectropolarimètres miniatures à hautes performances.

Un vaste espace pour passer du laboratoire à l’industrialisation

Télédétection et observation astronomique

La résolution spectrale ultra-élevée et la capacité de mesure complète de la polarisation permettent à cette technologie de capturer des caractéristiques spectrales et des informations de polarisation extrêmement subtiles des objets terrestres ou célestes. Dans des domaines tels que la surveillance des gaz traces atmosphériques, la télédétection écologique de la végétation et la mesure des champs magnétiques stellaires, une résolution de l’ordre de 20 femtomètres peut offrir une dimension d’information sans précédent.

Biomédecine et diagnostic clinique

Le spectropolarimètre miniaturisé pourrait être intégré dans des endoscopes et des dispositifs de diagnostic portables, permettant l’analyse histopathologique sans marquage, le dépistage précoce du cancer, la surveillance continue de la glycémie, etc. La mesure complète de Stokes peut révéler des informations structurelles, telles que l’arrangement du collagène et les changements morphologiques cellulaires, difficiles à obtenir avec la spectroscopie traditionnelle.

Communications optiques et inspection industrielle

Dans les systèmes de communication optique à multiplexage par répartition en longueur d’onde dense, une résolution de 20 fm permet de surveiller avec précision la dérive de longueur d’onde de chaque canal. Dans des scénarios industriels tels que la fabrication de semi-conducteurs, la mesure d’épaisseur de couches minces et le contrôle de processus chimiques, cette technologie peut fournir une analyse multidimensionnelle du champ lumineux de haute précision, en temps réel et en ligne.

Spectropolarimètre au niveau de la puce

Le produit résolution-taille de 5 nm·μm² obtenu par l’équipe signifie que cette technologie pourrait être encore intégrée dans des capteurs optiques au niveau de la puce, offrant à des plateformes telles que les smartphones, les appareils portables et les drones une capacité d’analyse spectropolarimétrique auparavant réservée aux grands instruments.

Une équipe chinoise à la pointe du nouveau paradigme de la mesure optique calculée

La valeur fondamentale de cette recherche réside dans l’établissement d’une chaîne d’innovation complète allant du « modèle théorique à la conception du milieu, en passant par l’intégration du système et la percée des performances » :

Théoriquement, un modèle unifié a été établi pour la première fois, révélant que l’OPD est la grandeur physique essentielle déterminant la résolution du système ;

Méthodologiquement, une nouvelle stratégie de milieu aléatoire basée sur le mode de fuite résonant a été proposée, brisant le dilemme de la difficulté à concilier hautes performances et miniaturisation des solutions traditionnelles ;

En termes de performances, une résolution de 20 fm, un rapport bande/résolution de 7,5×10⁶ et un produit résolution-taille de 5 nm·μm² placent ces trois indicateurs au niveau de leader international.

Ce résultat fournit non seulement une nouvelle voie technique pour la spectropolarimétrie calculée, mais jette également des bases importantes pour le développement futur d’instruments optiques miniatures à hautes performances, marquant l’entrée de la Chine à la pointe internationale dans le domaine de la mesure optique calculée.