Quand l'optique éclaire la formation des vagues scélérates
Publié par Adrien le 26/11/2019 à 08:00
Source: CNRS INSIS
La propagation d'une impulsion lumineuse dans une fibre optique peut donner naissance à des "ondes scélérates", analogues aux vagues scélérates de grande amplitude à la surface des océans. Des chercheurs de l'institut FEMTO-ST ont contribué à mettre en évidence cette analogie, qui ouvre des perspectives en océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν / gráphein, écrire) est l'étude des océans et des mers de la Terre. Les...), mais aussi vers la conception de sources laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) plus puissantes et plus stables. Ils ont publié, en collaboration avec des chercheurs de France, Finlande, Irlande, et Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de...), un article de "review" sur ces recherches dans la revue Nature Reviews Physics.


Représentation numérique des vagues extrêmes.
© G. Genty et J. Dudley (FEMTO-ST)

Les vagues scélérates, des vagues puissantes et de très grande hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), se produisent de manière imprévisible dans des mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) agitées, et peuvent créer de graves dégâts sur des navires ou des installations off-shore. La propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) de l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a...) et celles des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter...) lumineuses 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...) pouvant être décrite par un même formalisme mathématique, il était légitime de supposer l'existence d'ondes scélérates en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.).

Cette hypothèse s'est confirmée à partir de 2007, d'abord en analysant des statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les...) sur les pics d'intensité en optique, qui montrait l'existence de fluctuations extrêmes, puis par la génération et la mesure directe d'ondes optiques scélérates. C'est une équipe 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 Institute for Theoretical Physics...) FEMTO-ST (CNRS/Université Bourgogne Franche-Comté), qui a généré et mesuré pour la première fois des ondes scélérates stables en optique. Depuis, l'analogie entre l'optique et l'océanographie est devenue un thème de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) très dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :): plus de 3000 publications scientifiques depuis une dizaine d'années !

L'analogie entre optique et océanographie a permis de montrer que dans une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optique, comme à la surface de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume,...), la formation d'ondes scélérates est liée à des instabilités causées par de multiples processus: des phénomènes quantiques, pour les ondes optiques, les fluctuations de vents ou de courants pour les vagues. Les ondes optiques scélérates peuvent, elles-aussi, être dangereuses, par exemple quand des sources laser sont utilisées en chirurgie (La chirurgie est une technique médicale consistant en une intervention physique sur les tissus, notamment par incision et suture. Un médecin spécialisé dans cette discipline est un...) ou dans l'industrie. C'est pourquoi l'équipe de FEMTO-ST continue à travailler sur l'instabilité des sources laser et le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la génération d'ondes scélérates, avec l'objectif de mieux les maîtriser pour créer des lasers plus stables et plus puissants.

Sur un plan plus fondamental, le laboratoire cherche à concevoir des systèmes optiques analogues à d'autres processus hydrodynamiques. Enfin, les chercheurs vont recourir à des techniques d'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités...) pour l'analyse de grandes bases de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) (deep learning), afin de tenter de corréler l'apparition d'ondes scélérates avec les conditions initiales du système. L'enjeu est notamment d'anticiper le risque de formation de vagues scélérates, aujourd'hui encore impossible à prévoir.

Références:
Evaporative electron cooling in asymmetric double barrier semiconductor heterostructures,
Rogue waves and analogies in optics and oceanography
John M. Dudley, Goëry Genty, Arnaud Mussot, Amin Chabchoub & Frédéric Dias.
Nature Reviews Physics 1, 675-689 (2019)
DOI:10.1038/s42254-019-0100-0
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