Unité de Recherche Lasers et Spectroscopies

L'Unité de Recherche Lasers et Spectroscopies (LLS) unit les efforts de physiciens, mais aussi de chimistes et d’ingénieurs, pour mener à bien des recherches expérimentales et théoriques, tant fondamentales qu’appliquées. Ces recherches se centrent sur le développement et l’utilisation de spectroscopies laser pour l’étude des interactions lumière–matière, des gaz, des surfaces solides et liquides, ainsi que des matériaux (bio-)organiques et des nanomatériaux. Conjointement, les chercheurs de l’UR LLS sont membres des instituts de recherche ILEE, NISM, NARILIS et NAXYS.

Sur le plan expérimental, la particularité de l’UR LLS réside dans son expertise unique dans le développement d’instruments optiques originaux développés par les chercheurs du laboratoire, comme des spectromètres à très haute résolution, des spectromètres optiques non linéaires, des interféromètres optiques exploitant des photons intriqués. Au cœur de ces outils, se trouvent des lasers, tant continus que pulsés, qui couvrent les longueurs d’onde du rayonnement ultraviolet, visible et infrarouge du spectre électromagnétique. Ces équipements, comme les instruments commerciaux dont le laboratoire est doté, sont intégrés en très grande majorité à la plateforme technologique LOS. Parallèlement à la conception de ces outils expérimentaux, l’UR LLS développe également des outils théoriques, par le biais de la modélisation analytique ou numérique, pour analyser, comprendre et prédire les phénomènes optiques classiques et quantiques, ainsi que les processus d’interactions moléculaires en phase gazeuse, auxquels les instruments donnent accès.

L’UR LLS collabore régulièrement avec d’autres équipes des départements et facultés de l’Université de Namur. Une renommée internationale solide s’est construite au fil des années, grâce à l’originalité et l’excellence des recherches menées dans des niches très spécifiques, en collaboration avec de nombreux laboratoires extérieurs, en Belgique et à l’étranger.

La recherche de pointe menée au LLS se décline en trois grandes thématiques :

• Etude de molécules en très faible concentration (« polluants ») en phase gazeuse (Muriel Lepère)
• Spectroscopies optiques non linéaires des couches moléculaires, des surfaces, des interfaces et des nanostructures
• Optique quantique et mesures faibles quantiques

1) Etude de molécules en très faible concentration (« polluants ») en phase gazeuse

La compréhension des processus physico-chimiques atmosphériques est une préoccupation croissante dans notre société industrialisée confrontée à des phénomènes climatiques globaux, tels que le réchauffement ou la pollution urbaine, ainsi qu’à des problèmes sanitaires, tels que l’augmentation de l’incidence de maladies comme l’asthme ou le cancer du poumon. Les progrès en science de l’atmosphère requièrent la connaissance précise des concentrations des nombreux polluants et de leurs évolutions spatiale et temporelle, qui nécessite elle-même la connaissance très précise des propriétés spectroscopiques des gaz.

De manière générale, la spectroscopie moléculaire à haute résolution est un outil puissant pour l’étude quantitative de mélanges en phase gazeuse, tant pour la compréhension fondamentale des interactions intra- et inter- moléculaires que pour des études environnementales et sanitaires. C’est dans ce cadre que se développent les recherches, expérimentales et théoriques, menées à l'UR LLS. Les mesures sont réalisées par des spectroscopies basées sur des lasers (Quantum Cascade Laser, Dual Comb Spectroscopy …) avec de nombreux équipements « home-made », alors que la modélisation des phénomènes observés est effectuée à l’aide de théories semi-classiques ou quantiques.  L’étude de paramètres tels que les intensités individuelles de raies, les élargissements et les déplacements collisionnels induits par la pression, les profils spectraux et les interférences entre raies est réalisée pour de nombreux polluants atmosphériques. L’évolution de ces phénomènes avec la température est aussi étudiée, puisqu’elle s’avère essentielle tant d’un point de vue fondamental qu’appliqué (études de planètes « froides » ou « chaudes », de gaz résiduels de combustion, de fumées …).

2) Spectroscopies optiques non linéaires des couches moléculaires, des surfaces, des interfaces et des nanostructures

Les phénomènes optiques non linéaires s’observent principalement aux fortes intensités lumineuses que produisent les lasers pulsés. Par le biais des propriétés non linéaires de la matière, les faisceaux lumineux sont à même d’interagir entre eux ou de changer de fréquence, contrairement à l’expérience usuelle. Les phénomènes non linéaires sont au cœur de la panoplie des technologies optiques modernes. L’UR LLS les exploite pour produire des faisceaux lasers accordables en fréquence et investiguer les interactions lumière–matière au moyen de spectroscopies spécifiquement sensibles aux surfaces, interfaces et nanostructures des matériaux. Ainsi, la sélection de fréquences appropriées des faisceaux laser permet de sonder les excitations vibrationnelles et électroniques de la matière grâce aux spectroscopies de génération de fréquence-somme (SFG) et de génération du second harmonique (SHG).

Parmi les thématiques de recherches expérimentales et théoriques poursuivies par l’unité, se trouvent les problématiques de la détermination de la structure des films moléculaires et de l’orientation des molécules au sein de couches auto-assemblées, du comportement de l’eau à la surface des (bio-)matériaux, de la compréhension des propriétés physico-chimiques de films biologiques et des interactions matière biologique / nanomatériaux, de l’exaltation des signaux non linéaires exploitant les résonances de plasmons de surface, et, d’une manière générale, de la modélisation des spectroscopies et des interactions non linéaires de la lumière aux interfaces.

3) Optique quantique et mesures faibles quantiques

Aux très basses intensités lumineuses, les propriétés quantiques de la lumière deviennent prépondérantes. Les échanges discrets d’énergie lumineuse avec la matière correspondent à l’émission et à l’absorption d’un photon, voire même de plusieurs photons dans le cas de la description quantique des phénomènes optiques non linéaires. Afin de distinguer les propriétés classiques de la lumière (ondes électromagnétiques obéissant aux équations de Maxwell) de ses propriétés quantiques, l’UR LLS mesure les corrélations de l’intensité lumineuse après la propagation de paires de photons intriqués au sein de montages optiques, tels que des interféromètres. Le comptage des coïncidences de détection s’effectue au moyen de quatre détecteurs de photons. L’UR LLS dispose de techniques, comme la tomographie quantique et la mesure de la violation des inégalités de Bell, pour étudier l’intrication au sein des systèmes optiques quantiques, notamment en fonction de leurs interactions avec la matière.

Le succès de l’information quantique, en raison de ses applications potentielles ou avérées comme l’ordinateur et la cryptographie quantiques, suscite un regain d’intérêt pour les questions portant sur les fondements de la mécanique quantique. Dans ce contexte, l’UR LLS développe des recherches en lien avec les mesures faibles quantiques. Une mesure quantique standard entraîne typiquement une perturbation importante et irréversible de l’état du système quantique. Une mesure faible vise entre autres à rendre négligeable cette perturbation. Dans ce cas, les observations expérimentales dépendent d’une grandeur complexe, dite valeur faible. L’UR LLS étudie l’interprétation et la modélisation des mesures faibles et des valeurs faibles. D’une part, les recherches portent sur des questions éclairant les fondements de la mécanique quantique, dont certains aspects paradoxaux comme les paradoxes des trois boîtes et du chat du Cheshire quantique. D’autre part, ces notions sont sources de techniques de mesure de haute précision, tout particulièrement en optique. Par exemple, l’UR LLS étudie les écarts, minimes, de la propagation des faisceaux lumineux par rapport aux lois de la propagation des rayons lumineux isolés (optique géométrique), dont une manifestation est le déplacement de Goos-Hänchen.

Académiques du laboratoire

• Prof. Muriel Lepère, Directrice, professeur ordinaire et chercheuse qualifiée honoraire du F.R.S.-FNRS, muriel.lepere@unamur.be
• Prof. Francesca Cecchet, Chercheuse qualifiée du F.R.S.-FNRS, francesca.cecchet@unamur.be
• Prof. Yves Caudano, Chercheur qualifié du F.R.S.-FNRS, yves.caudano@unamur.be