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Posté par Redbran le Dimanche 16/04/2017 à 00:00
Observer des ondes lumineuses scélérates sur des temps ultra-courts
Des physiciens ont observé des fluctuations aléatoires de très fortes amplitudes et ultra-rapides de la lumière se propageant dans une fibre optique, en utilisant un dispositif appelé "microscope temporel".

Comparables à des vagues géantes (appelées "vagues scélérates") qui apparaissent parfois en mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), les "ondes scélérates optiques" sont des phénomènes extrêmes pouvant se développer lors de la propagation de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) dans les fibres optiques. Ces manifestations bien connues théoriquement sont décrites par la même équation de Schrödinger (L'équation de Schrödinger, conçue par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1925, est une équation fondamentale en physique quantique non-relativiste. Elle décrit l'évolution...) non linéaire à une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.), permettant des analogies fortes entre le domaine de l'hydrodynamique et celui de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) non-linéaire. Les expériences optiques présentent l'avantage de pouvoir être effectuées en laboratoire et d'être répétées aussi souvent que nécessaire. Ainsi est-il possible de développer des vérifications expérimentales poussées de ces processus en faisant varier les conditions initiales. Pour cela, il est nécessaire d'accéder à une mesure de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ultra-bref, car de tels phénomènes lumineux se déroulent sur des temps inférieurs à la picoseconde.


Le Microscope Temporel transforme les fluctuations temporelles de la lumière en fluctuations spatiales qui sont ensuite observée à l'aide une camera. @ PhLAM

C'est en développant un dispositif original de mesure à des temps ultra-brefs que l'équipe du Laboratoire Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des lasers, atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) et molécules (PhLAM, CNRS/Univ. Lille 1) a pu mettre en évidence la formation d'impulsions lumineuses géantes à partir de la propagation de lumière aléatoire dans une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit...) de 0,5 km. La similitude des caractéristiques de ces impulsions lumineuses avec le soliton de Peregrine, un prototype classique d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) scélérate, a également été montrée. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.

Le dispositif, appelé "microscope temporel", présente des performances remarquables, à savoir une résolution de 250 femtosecondes ainsi qu'une très forte dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de 40 dB. Son principe repose sur une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) non-linéaire entre la lumière au caractère aléatoire et une impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) ultra-courte dont le support temporel a été étiré jusqu'à 25 ps. Cette interaction s'effectue au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) non-linéaire. Le spectre de l'impulsion lumineuse résultant de l'interaction est enregistré par un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de...) à grande dynamique. Cette technique permet de transformer toute variation temporelle de la lumière à caractériser en une variation d'intensité spectrale de l'impulsion lumineuse résultante, créant ainsi une bijection (Une fonction f: X → Y est dite bijective ou est une bijection si pour tout y dans l’ensemble d'arrivée Y il existe un et un seul x dans l’ensemble de définition X tel que f(x) = y. On dit encore dans...) entre le temps et l'espace. L'analyse statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un ensemble de...) des profils lumineux a permis l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) fréquente de structures sub-picosecondes dont l'intensité instantanée dépassait largement la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) optique moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient...).

L'observation résolue en temps de ces ondes scélérates ouvre la voie à de nouvelles études fondamentales sur la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient...) optique et sur la propagation non linéaire d'ondes lumineuses partiellement cohérentes.

NB: Au même moment, des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) FEMTO-ST (CNRS/UTBM/UFC/ENSMM) à Besançon ont ont publié récemment une étude de l'instabilité modulationnelle en utilisant une technique comparable (lentille temporelle).

référence publication:
Single-shot observation of optical rogue waves in integrable turbulence using time microscopy
Pierre Suret, Rebecca El Koussaifi, Alexey Tikan, Clément Evain, Stéphane Randoux, Christophe Szwaj et Serge Bielawski
Nature Communications (2016), doi:10.1038/ncomms13136

Contact chercheur:
Pierre Suret, Professeur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Lille 1 et chercheur au PhLAM

Informations complémentaires:
Physique des lasers, atomes et molécules (PhLAM, CNRS/Univ. Lille 1)

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Source: CNRS-INP