CIPI begins new cycle

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4 Editorial CIPI begins new cycle On April 1 st, the Canadian Institute for Photonic Innovations undertook its second cycle as a Network of Centres of Excellence. With federal government funding secured until March 2009, CIPI will be able to fully implement its new research program and continue to support projects aimed at fostering technology exploitation and networking. At the end of this period, upon favourable review of its performance, the network will be granted an additional three years of funding before winding down its activities in 2012 under the NCE program. CIPI intends on making the most of the next four years to ensure that the potential of university-based research in photonics is developed to its fullest and to promote the transfer of the outcome of this research to industry. I am enthusiastic about taking on this challenge and confident that, while considerable, it is not beyond our grasp. CIPI is well served by an engaged Board of Directors, a committed Scientific Director and an efficient administrative centre staff. Since assuming the presidency of the network three months ago, I have discovered a vital and firmly grounded organization for which I must thank my predecessor Ian MacDonald. Because of his vision and leadership, CIPI has gained the respect and recognition of the Canadian photonics community. With research teams that are now well established, an impressive portfolio of scientific achievements to its credit and a research program leaning toward greater multidisciplinarity, CIPI can now begin to focus on responding to the needs of current and potential end-users of photonics technologies. One of my priorities in coming months is to motivate more companies to join CIPI by generating their interest in supporting projects already in progress or by encouraging them to launch new collaborations with researchers. We will contact photonics industry clusters in various regions of the country to inform them of the programs that exist within CIPI for technology exploitation. We will reach out to companies not directly involved in photonics to show them how photonics can apply to their field and invite them to participate in projects that are relevant to them. At the moment, various strategic partnerships are under discussion to foster greater collaboration across the country and to accelerate the transfer to industry of photonic technologies developed in Canadian universities. We will of course pursue the excellent work undertaken by Dr. MacDonald to promote access to national research facilities recently established in the country, such as the Advanced Laser Light Source, the Canadian Photonics Fabrication Centre and the Canadian Light Source. These world class laboratories will offer training opportunities beyond compare to the next generation of Canadian scientists, enable our researchers to expand the boundaries of scientific knowledge and help Canada maintain its leadership role in the field. By working on all these fronts, we will succeed in positioning photonics as a true enabling technology building for the future. I hope you enjoy this issue of PHOTONS. Robert Corriveau CIPI President and C.E.O. PHOTONS 1

5 Éditorial Un nouveau départ pour l ICIP Le 1 er avril dernier, l Institut canadien pour les innovations en photonique entreprenait son second cycle comme Réseau de centres d excellence. Le financement qu il reçoit du gouvernement du Canada lui permettra jusqu en mars 2009 de mettre en œuvre son nouveau programme de recherche et de soutenir des projets de valorisation technologique et de réseautage. Par la suite, sur évaluation favorable de ses réalisations, il pourra se prévaloir d un appui financier pour trois années supplémentaires avant de mettre fin à ses activités en 2012, comme le prévoit le programme des RCE. Nous disposons donc de quatre années pour faire valoir tout le potentiel de la recherche en photonique dans les universités canadiennes et pour promouvoir le transfert des résultats de cette recherche vers l industrie. Il s agit d un défi de taille que je relève avec enthousiasme et confiance, bien entouré par un conseil d administration engagé, un directeur scientifique dévoué et une équipe efficace au centre administratif qui voient tous au bon fonctionnement de l ICIP. En poste depuis trois mois, j hérite d un réseau dynamique et solidement constitué. Pour cela, je tiens à remercier mon prédécesseur Ian MacDonald et à rendre hommage à son leadership et à sa vision. N eût été de ses efforts et de sa ténacité, l ICIP ne jouirait pas du respect et de la notoriété qu il reçoit à l heure actuelle au sein de la communauté de la photonique au Canada. Maintenant que le réseau dispose d équipes de recherche bien établies, qu il a accumulé un capital impressionnant de réalisations scientifiques et que ses projets de recherche tendent vers une plus grande multidisciplinarité, nous pouvons commencer à nous préoccuper davantage des besoins des usagers actuels et potentiels des technologies de la photonique. Une de mes priorités au cours des prochains mois sera d encourager un plus grand nombre d entreprises à se joindre à l ICIP, soit en les intéressant à soutenir les projets de recherche déjà en cours, soit en les incitant à démarrer de nouvelles collaborations avec les chercheurs. Nous ferons appel aux regroupements d entreprises en photonique qui existent dans diverses régions du pays afin de les informer des programmes dont l ICIP dispose pour valoriser les fruits de la recherche. Des efforts seront également déployés du côté des entreprises qui ne sont pas directement impliquées en photonique afin de les amener à mieux comprendre le potentiel de ses applications dans leur champ d activités et de les inciter à participer aux projets de recherche qui leur sont pertinents. De plus, différents partenariats stratégiques sont en discussion afin de mousser la collaboration pancanadienne et d accentuer le transfert vers l industrie des technologies photoniques développées dans les universités canadiennes. Bien sûr, nous continuerons l excellent travail amorcé par mon prédécesseur en vue de tirer parti des importantes infrastructures de recherche qui ont été récemment mises sur pied au pays comme le Advanced Laser Light Source, le Centre canadien de fabrication de dispositifs photoniques et le Centre canadien de rayonnement synchrotron. Ces installations de pointe de calibre mondial offrent à notre relève scientifique des possibilités de formation incomparables, permettent à nos chercheurs de repousser les limites de leurs connaissances scientifiques et aident le Canada à préserver son rôle parmi les chefs de file du domaine. C est en travaillant sur tous ces fronts que nous arriverons, grâce à la photonique, à construire l avenir. Bonne lecture. C Robert Corriveau Président et directeur général de l'icip PHOTONS 2

6 Context A new step toward pure optical signal processing (An all-fibre diet for advanced photonic systems) Facilitating the link between electronic and optical signals (Siliconizing Photonics) Research will make it possible for electronic circuits (left) to be replaced by photonic components such as a fibre loop (illustrated on the right), which has the potential to offer greater capabilities. Many people are dreaming about the potential of developing optical circuits similar to what is available in electronics but with many more capabilities using the much larger information content in the large bandwidth and wavelength distribution of light. As for the development of integrated circuits which came with the generation of micron size components such as transistors and capacitors, one can expect the same type of revolution will be possible in optics. The optical world has made significant steps toward pure optical circuits by developing new all-fibre components. In previous years, optical processing for splitting, fusing, filtering, polarizing, reflecting or interfering optical signals was performed using bulk optical elements and integration of such optical circuits was problematic. As demonstrated by the team of researchers from COPL (Université Laval s Centre for Optics, Photonics and Lasers), École Polytechnique and ITF Optical Technologies, the use of optical fibres now makes possible the replication of the functionality of most bulk optical components by fusing, tapering, looping or engraving Bragg filters within the optical fibre line. The integration of such components has facilitated the development of high power lasers with high beam quality, of high resolution optical gyroscopes and of interferometers for quantum information applications. It is expected that more and more applications of such new optical circuitry will materialize and that the dream of pure optical circuits will soon become a reality. Fabricating silicon waveguide devices at the Centre for Electro-Photonic Materials and Devices (CEMD), McMaster University. The key to the success of the proliferation of optical circuitry is the junction between electrons and photons. For example, there is so much information being gathered using electronic means, it is important to develop efficient means to transfer information in an optical signal which could then be processed optically. Silicon photonics brings the development of optical components directly onto a silicon wafer which is the basis for most electronic integrated circuits. Getting the electron-photon interaction on the same chip optimizes the transfer efficiency and since there are many foundries using the standard CMOS fabrication process, production in volume of such hybrid chips would be easy and cost-effective. A team of researchers from McMaster University, Carleton University, University of Waterloo and NRC is developing new active components such as optical power monitors and modulators as well as new optical sources using the silicon photonics approach. They have demonstrated new devices that translate electronic signals into optical ones which could be used as optical detectors or even as in-line monitors of optical powers. In translating an electrical signal into an optical one, they have also demonstrated the feasibility of an efficient modulator and the generation of optical signals using Erbium doped nano-clusters. Facilitated by the close link between electrons and photons, the growth of applications for integrated optical circuits as an enabling technology in many sectors should accelerate. PHOTONS 3

7 All-Fibre Optical Metropolitan Network (Modeling and Optimization of Physical Layer Parameters for Development of Research Metro Network) Geographical topology of the four research centres involved The drastic increase in demand for more speed and more bandwidth in communication networks due to the multiplication of high speed internet users and the coming of video on demand is generating pressure on the service providers to provide higher bandwidth directly to the home. One solution that they are contemplating is the Fiber-To-The-Home (FTTH) approach. In North America, all new housing developments will have optical fibres installed up to each house. This new phase in optical network deployment will require researchers to study in detail the potential problems that could be encountered within a metropolitan network that could affect the quality of service. A team of researchers at Carleton University, the University of Ottawa, the Communications Research Centre and the National Research Council is developing the concept of a new optical metropolitan test bed with all the functionality of a standard network in order to simulate unforeseen problems. This network needs to have many functionalities such as transmitting and receiving, amplifying and attenuating, switching, adding/dropping and multiplexing. The initial simulation demonstrated that a metro network between the four research institutions is feasible for transmission rates of 2.5 Gbps as well as 10 Gbps. Subject to budget approval by all four partners, it is expected that the network will be implemented and fully operational within one year from now (April / May 2006). More importantly, the network will also be open to collaborative research with industrial partners, equipment vendors, service providers and other government institutions. Multipurpose films for Integrated Optics (Chalcogenide glass thin films for photonic applications fabricated by pulsed laser deposition) The development of integrated optical systems will require the best optical materials that we can find in order to achieve high functionality and sensitivity in miniaturized systems. Chalcogenide glasses have some very interesting optical properties as a writeable optical medium which can also be used as a nonlinear optical medium and host material for various optical gain species. Chalcogenide glasses also come in a large variety of chemical compositions combining germanium, selenium, arsenic, antimony, etc. in a very large array of stoichiometric compositions. Each of these has unique optical, mechanical and chemical properties which need to be fully explored. This makes these glasses a very attractive system of materials as part of an integrated optics manufacturing toolkit. However, these glasses have also suffered from problems of long term stability, environmental stability and methods of deposition. In a combined effort of TRLabs in Edmonton and the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of Alberta, the problem of deposition of such glasses as thin films for integrated optical applications is being tackled using pulsed laser deposition (PLD). PLD has long been recognized for its effectiveness in producing high temperature superconducting films because of its ability to transfer the stoichiometric composition of the source material to the film deposited with little modification. The same tool is now being applied to achieve the same result with Chalcogenide glasses with promising results as presented by the authors. Many challenges remain to be faced in protection of films from environmental influences and in reduction of debris from the PLD process but solutions appear feasible for even these problems leading to the promise of a wonder material for integrated optical circuits of the future. PHOTONS 4

8 Biophotonics Tackles Heart Attacks (MOEMS for bio-enzymatic detection) Refined medical imaging using the coherence properties of photons (Optical sources for OCT) Reflected image captured in a Position Sensitive Detector device. As the beam coated with anti enzyme is subjected to enzymatic reaction due to passing enzyme, it bends leading to movement of the reflected image as seen above. The high sensitivity of detecting optical changes in thin films and the large spectral information content of optical spectra make light based techniques a powerful enabling technology for sensing changes in complex systems. One of the most complex systems is our own human body with all the biochmemical reactions which are continuously occurring. In many cases the human body produces unique response signatures, enzymes and proteins, to stress, injury or disease which, if measured, can be very useful in the diagnosis and treatment of disease. Two very important such markers are the HRP enzyme and TnC proteins which are released during heart injury when one suffers a heart attack. Rapid and sensitive detection of these markers is critical in the determination of treatment strategies for minimization of further heart injury. A team at Concordia University (Jeetender et al) is combining sensitive photonic detection techniques for these enzymes and proteins with Micro- Opto-Electro-Mechanical (MOEMS) systems to develop inexpensive miniature techniques which can be mass produced just as inexpensive microchips are produced today. These single use, disposable devices can then be used for rapid point-of-care assaying of any heart injury. While many challenges remain in the integration of such biophotonic techniques onto MOEMS devices, such tests will be very important in targeting the correct treatment, reducing costs of incorrect treatment and improving the quality of life for our aging population. OCT system intended for patients with age-related macular degeneration, a leading cause of blindness The need for improved and non-invasive medical diagnostics has triggered a number of investigations in photonics. One avenue that has raised the interest of both the photonic and medical communities is Optical Coherence Tomography (OCT). The basic OCT setup exploits the coherence properties of light by means of a classical Michelson interferometer configuration. A light beam directly reflected from a tissue or a sample is coherently mixed with another light beam used as a reference; both beams are derived from the same optical source. Other advanced schemes for OCT are based on the spectral analysis of the interference signals. OCT has displayed a remarkable dynamic range and it has allowed to resolve in vivo the 3D structure of tissues. The longitudinal resolution of OCT depends upon the bandwidth of the light source being used; the resolution can be in the micron range if a broad-bandwidth optical source is used. Commercial products have already been put on the market, specifically designed for ophthalmology. OCT is now being applied in many other areas of medicine. In their paper, Maciejko et al from École Polytechnique de Montréal report on the performance of OCT with different types of optical sources, including LEDs and femtosecond lasers. Their results clearly show the advantage of using a femtosecond laser with a broad and smooth spectrum if high resolution is targeted. PHOTONS 5

9 C Microjoules for Microanalysis (Laser-induced breakdown spectroscopy for two dimensional microanalysis of surfaces) After lasers were invented, one of the first demonstrations of the power of a laser pulse was to focus the laser beam onto a tiny spot causing optical breakdown of air and solid surfaces forming bright ionized plasmas, or sparks. It was quickly realized that the emission spectrum contained valuable information about the elemental composition of the material irradiated by the beam. However, for a variety of reasons, the direct application of laser breakdown to quantitative analysis has been limited to date. Initially this was due to the poor reliability and difficulty of working with the required laser systems. But also it is due to the fact that the characteristics of the breakdown plasma varies from material to material and thus quantitative measurements, which is what chemists would like, are difficult to make with high precision or accuracy. While laser induced breakdown spectroscopy, as it is known, has established a few niche application areas there is tremendous scope for growth into many new areas. Researchers at the University of Alberta, working under an Industrial Research Chair funded by MPB Technologies Inc. and NSERC are advancing LIBS into a new micro regime where 2D microanalysis of surfaces with microjoule laser pulse energies becomes an attractive application area. With new generations of robust fibre and microchip lasers and high sensitivity integrated optical spectrometers being developed every year, one could quickly see application areas in microanalysis for this technology grow rapidly. In order to make this a reality, better understanding of the plasma conditions is also required combined with new research aimed at steadily filling this knowledge gap. From laser beams to particle beams: how light can bring electrons to relativistic speeds (Electron acceleration by few-cycle ultraintense TM 01 laser beams) Overview of LIBS process The high-field intensities produced by ultrafast laser systems are opening opportunities for a new generation of particle accelerators. Particle accelerators have initially been developed for high-energy physics, where relativistic particles are used to probe the structure of atomic nuclei and of the fundamental constituents of matter. Particle accelerators are also finding a number of medical applications, particularly for the treatment of cancer. More recently it was shown that ultrashort beams of relativistic electrons make it possible to capture the dynamics of chemical processes and phase transitions (the so-called molecular movie ); they also have the potential to resolve the spatial structure of complex molecules such as proteins. The challenge for laser designers is to find how the accelerated particles can be synchronized to the laser field. A fundamental problem to circumvent is the transverse and oscillatory nature of the field of the typical Gaussian laser beam. With such a beam, charged particles cannot be locked to a cycle of the laser field and experience no net acceleration. The approach considered by Varin et al is fundamentally different from most acceleration schemes proposed so far; it is based on the use of a special laser beam, namely the transverse magnetic (TM 01 ) laser beam of lowest order. The TM 01 laser beam has a particular field structure that allows for its synchronization to the motion of charged particles. Varin et al showed through numerical simulations that, beyond a threshold beam intensity, electrons can be captured by an ultrafast TM 01 laser beam and accelerated to relativistic speeds. The threshold intensity required for acceleration will be accessible by the high-power laser beam line of the ALLS facility being built in Varennes, Québec. PHOTONS 6

10 Contexte Vers le traitement complètement optique du signal Lier l électronique à l optique (An all-fibre diet for advanced photonic systems) (Siliconizing Photonics) Grâce à la recherche, les circuits électroniques (gauche) seront un jour remplacés par des dispositifs optiques comme la boucle de fibre (illustration à droite) dont le rendement serait supérieur. Le potentiel des circuits optiques est énorme puisqu ils sont capables de transporter beaucoup plus d information que l électronique en raison de la bande passante et des multiples longueurs d onde associées à la lumière. L optique est en mesure de complètement révolutionner tout ce qui a déjà été réalisé à ce jour par les circuits intégrés. La recherche en optique a donné lieu à d immenses progrès dans le développement de composants optiques tout-fibre capables de diviser, filtrer, fusionner, polariser, réfléchir et traiter la lumière. L intégration de ces fonctions sur un même circuit a constitué un défi important. Les travaux d une équipe de chercheurs du Centre optique photonique et laser de l Université Laval, de l École polytechnique et de ITF technologies optiques ont démontré qu il est possible de reproduire à l intérieur d une fibre optique les fonctions de dispositifs optiques volumiques. L intégration de ces composants a permis la mise au point de lasers haute puissance, de gyroscopes à haute résolution et d interféromètres pour l informatique quantique. Avec le développement de nouvelles applications pour les circuits optiques, le rêve du traitement toutoptique du signal est en train de se réaliser. Fabrication de dispositifs de guide d onde en silicium à McMaster University Le succès de l évolution des circuits optiques repose sur la liaison entre les électrons et les photons. Bien qu il soit possible de recueillir une grande quantité d information par des moyens électroniques, il est important de développer des méthodes efficaces de convertir cette information en signaux optiques qui peuvent par la suite être traités de façon optique. Des chercheurs s intéressent à la mise au point de composants optiques sur des plaques de silicium qui servent habituellement en électronique comme support aux circuits intégrés. Réussir à faire interagir sur la même puce les électrons et les photons améliorerait l efficacité du transfert de signal. Puisqu il existe plusieurs fonderies qui emploient le procédé éprouvé de fabrication CMOS, la production à grande échelle de puces hybrides s avérerait facile et abordable. Une équipe composée de scientifiques du CNRC, de McMaster University, de Carleton University et de la University of Waterloo utilise le silicium pour développer des composants actifs, comme des modulateurs, des moniteurs de puissance optique et des nouvelles sources optiques. Ces chercheurs ont mis au point des dispositifs capables de convertir des signaux électroniques en signaux optiques qui pourraient être utilisés comme détecteur ou comme moniteur de puissance optique en ligne. Ils ont également réussi à générer des signaux optiques à partir de nanograppes dopées à l erbium. Lorsque la transition des électrons aux photons sera pleinement réalisée, nous devrions assister à une rapide évolution des circuits optiques intégrés dans plusieurs secteurs d application. PHOTONS 7

11 Réseau métropolitain tout-optique (Modeling and Optimization of Physical Layer Parameters for Development of Research Metro Network) Topologie du réseau des quatre centres de recherche impliqués dans le projet. Les entreprises qui exploitent des réseaux de communication doivent répondre à une demande sans cesse croissante de vitesse et de bande passante en provenance des usagers d Internet toujours plus nombreux et en prévision des services de vidéo sur demande. Une des solutions envisagées est de déployer la fibre optique jusqu au domicile (Fiber-to-the-home). En Amérique du Nord, dans les nouveaux quartiers, on installera des réseaux de fibre optique de manière à desservir chaque maison. Un tel déploiement exige déjà qu on examine en profondeur les problèmes qui pourraient survenir dans un réseau métropolitain et affecter la qualité du service. Une équipe de chercheurs à Carleton University, à l Université d Ottawa, au Centre de recherches sur les communications et au Conseil national de recherches du Canada a mis au point un banc d essai pour un nouveau réseau métropolitain qui présente toutes les caractéristiques d un réseau conventionnel afin de simuler des problèmes imprévus. Le réseau est en mesure de transmettre et de recevoir, d amplifier et d atténuer, de commuter, de faire du multiplexage et de l insertion-extraction. Lors de la première simulation, la faisabilité de transmettre des données à des taux de 2,5 et de 10 Gbps entre les quatre centres de recherche a été démontrée. Si les quatre partenaires s entendent sur un budget, on s attend à ce que le réseau puisse être implanté et mis en service d ici un an (avril ou mai 2006). De plus, il sera mis à la disposition de l industrie, des équipementiers, des fournisseurs de services et d organismes gouvernementaux à des fins de recherche en partenariat. Des couches minces polyvalentes pour des dispositifs optiques intégrés (Chalcogenide glass thin films for photonic applications fabricated by pulsed laser deposition) Le développement de systèmes optiques intégrés exigera les meilleurs matériaux optiques que l on puisse trouver afin de pouvoir réaliser des microsystèmes fonctionnels et sensibles. Les verres de chalcogénure présentent des propriétés optiques très intéressantes qui en font un milieu favorable pour l inscription, ce qui peut aussi mettre à profit ses caractéristiques non linéaires. Le matériau offre aussi un milieu de gain optique avantageux. Les verres de chalcogénure ont une composition chimique et stochiométrique variée et peuvent être le produit d un mélange de germanium, de sélénium, d arsenic, d antimoine, etc. Les propriétés optiques, mécaniques et chimiques de ces verres doivent encore faire l objet d analyses rigoureuses pour que l on puisse les utiliser pleinement pour la fabrication de dispositifs optiques intégrés. On sait cependant que ces verres ne sont pas stables à long terme et qu ils peuvent être sensibles à leur environnement. Les méthodes de dépôt de ces verres en couches minces ne sont pas sans difficultés. TRLabs à Edmonton et le département de génie électrique et de génie informatique à la University of Alberta se sont penchés sur les problèmes reliés au dépôt des verres de chalcogénure en couches minces pour la fabrication de dispositifs optiques intégrés. Ils ont utilisé la méthode de dépôt par laser à impulsions. La méthode a longtemps été reconnue pour son efficacité à produire des couches supraconductrices à haute température en raison de sa capacité à transmettre, avec peu de modification, la composition stochiométrique du matériau de départ à la couche déposée. Les chercheurs rapportent dans leur article qu ils ont obtenu des résultats encourageants en utilisant la méthode avec les verres de chalcogénure. Il reste toujours de nombreux problèmes à résoudre notamment en ce qui concerne la protection des couches contre les effets de leur environnement et aussi la réduction des débris produits par le procédé lui-même. Les solutions sont néanmoins envisageables et tous les espoirs sont permis pour que ce matériau puisse un jour servir à la fabrication de circuits optiques intégrés. La biophotonique pour traiter les infarctus PHOTONS 8

12 (MOEMS for bio-enzymatic detection) (Optical sources for OCT) Système de tomographie par cohérence optique utilisé pour évaluer Image réfléchie saisie par un dispositif de détection de position. Quand le faisceau enduit d anti-enzyme réagit au passage d une enzyme, il courbe et provoque un déplacement de l image réfléchie. Les technologies photoniques sont très utiles pour détecter des changements dans des systèmes complexes en raison de leur grande sensibilité et de l important contenu d informations dérivées d un spectre lumineux. Le corps humain est un des systèmes les plus complexes que l on puisse trouver en raison des réactions biochimiques qui se produisent constamment. En mesurant les enzymes et les protéines que le corps humain libère en réponse à un stimulus, à une blessure ou à une maladie, on peut recueillir de précieuse informations qui serviront à établir des diagnostics ou des traitements. Lors d un infarctus, le corps produit l enzyme HRP et les protéines TnC. En les détectant de façon rapide et précise, les médecins sont en mesure d intervenir plus efficacement afin de prévenir une plus grande détérioration des fonctions cardiaques. Une équipe de chercheurs à l Université Concordia combine ces technologies photoniques sensibles à des systèmes microopto-électro-mécaniques (MOEMS) dans le but de mettre au point des dispositifs miniatures qu on pourrait fabriquer à grande échelle, comme on le fait pour les micropuces. Ces dispositifs jetables pourraient être utilisés pour évaluer la sévérité de l attaque. Il reste encore beaucoup de recherche à faire avant de réussir à intégrer ces techniques biophotoniques sur un dispositif MOEMS. On peut cependant conclure qu une telle percée technologique contribuera grandement à réduire les coûts associés aux traitements médicaux et à améliorer la qualité de vie de notre population vieillissante. des personnes atteintes de dégénérescence maculaire liée à l âge, une cause principale de cécité. De nombreuses recherches en photonique portent sur l amélioration des diagnostics médicaux non invasifs. La tomographie par cohérence optique (TCO) soulève un très grand intérêt. Un tel appareil utilise à la base un interféromètre de Michelson qui exploite les propriétés de cohérence de la lumière. Un faisceau lumineux reflété par un tissu ou un échantillon est mélangé à un autre faisceau qui sert de référence, les deux faisceaux étant dérivés de la même source optique. La TCO se présente également sous une configuration plus avancée basée sur l analyse spectrale des signaux d interférence. L impressionnante plage dynamique de la TCO a permis de déterminer in vivo la structure tridimensionnelle des tissus. La résolution longitudinale de la TCO dépend de la bande passante de la source lumineuse utilisée. La résolution peut être de l ordre du micron si une source optique à large bande est employée. Bien que des systèmes soient déjà commercialisés pour l ophtalmologie, la TCO trouve maintenant des applications dans d autres spécialisations médicales. Dans l article présenté par des chercheurs de l École Polytechnique de Montréal, on fait état du rendement obtenu en TCO avec différents types de sources lumineuses, y compris des DEL et des lasers à femtoseconde. Les résultats démontrent que l utilisation d un laser à femtoseconde offrant un spectre large et lisse est avantageuse pour l imagerie à haute résolution. La photonique pour le raffinement de l imagerie médicale Les microjoules en microanalyse (Laser-induced breakdown spectroscopy for two dimensional PHOTONS 9

13 microanalysis of surfaces) Aperçu du procédé d analyse par spectroscopie à plasma induit par laser Après l invention du laser, pour démontrer la puissance des impulsions, on focalisait un faisceau sur un point minuscule jusqu à ce que se forme un plasma ionisé brillant ou des étincelles. Les scientifiques se sont vite rendu compte que le spectre d émission contenait de l information utile sur la composition élémentaire du matériau irradié par le faisceau. Pour diverses raisons, dont le manque de fiabilité des systèmes laser et la difficulté de les utiliser, il n y a eu que peu de recherche dans ce domaine à ce jour. De surcroît, les caractéristiques observées dans le plasma varient d un matériau à un autre, ce qui rend les mesures quantitatives tant souhaitées par les chimistes, difficiles à réaliser avec précision. La spectroscopie à plasma induit par laser s est tout de même déniché quelques créneaux d application, mais il existe encore beaucoup d autres domaines où elle pourrait être employée. Soutenus par une chaire de recherche financée par MPB Technologies et le CRSNG, des chercheurs à la University of Alberta utilisent le procédé pour réaliser des microanalyses bidimensionnelles des surfaces au moyen d impulsions laser de l ordre du microjoule. Les nouvelles générations de fibres optiques plus résistantes, les lasers sur micropuces et les spectromètres ultrasensibles intégrés permettront des percées intéressantes de ce procédé en microanalyse. Une meilleure connaissance des particularités des plasmas sera nécessaire afin d accélérer le progrès. De faisceaux laser aux faisceaux de particules : comment la lumière accélère des électrons à des vitesses relativistes (Electron acceleration by few-cycle ultraintense TM 01 laser beams) Les champs de rayonnement de haute intensité produits par les systèmes laser ultrarapides ouvrent la voie à une nouvelle génération d accélérateurs de particules. À l origine, les accélérateurs de particules avaient été mis au point en physique des hautes énergies où des particules relativistes étaient utilisées pour sonder la structure des noyaux atomiques ou des composantes fondamentales de la matière. Il existe également des applications médicales pour les accélérateurs de particules, notamment en traitement du cancer. Récemment, des chercheurs ont démontré que des faisceaux ultracourts d électrons relativistes permettent de capter la dynamique des procédés chimiques et des transitions de phase (surnommé l imagerie moléculaire); ces faisceaux sont également capables de déterminer la structure spatiale de molécules complexes comme des protéines. Un défi se dresse devant les concepteurs de laser : comment synchroniser les particules accélérées au champ laser. Pour y arriver, ils doivent réussir à contourner le problème fondamental que présente la nature transversale et oscillatoire du champ du faisceau laser gaussien typique. Avec un tel faisceau, les particules chargées ne peuvent être asservies à un cycle du champ laser et leur accélération reste nulle. Varin et ses collègues étudient une approche qui diffère de façon fondamentale de la plupart des autres méthodes d accélération proposées à ce jour; elle est basée sur l utilisation d un faisceau laser spécial qu on appelle le faisceau laser radial transversal d ordre minimum (TM 01 ). Le faisceau laser TM 01 possède une structure de champ particulière qui permet de le synchroniser au mouvement des particules chargées. Par des simulations numériques, Varin et ses collègues ont démontré qu au-delà d une intensité de faisceau seuil, il est possible de piéger les électrons par un faisceau laser TM 01 ultrarapide et de les accélérer à des vitesses relativistes. L intensité seuil requise pour ce type d accélération sera rendue possible par une ligne de faisceau laser à haute puissance présentement en construction au laboratoire ALLS à Varennes (Québec). PHOTONS 10

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