Laboratoire
| ACCUEIL > Sciences Ouest > Année 2005 > 226 > Gros plans > Laboratoire |
 |
 |
|
 |
 |
|
Christophe Bonnet a mesuré le temps passé par la lumière sur une surface Optique : un doctorant répond à une question de Newton
Avant de rebondir sur une surface, la lumière… marque une pause. Newton avait pressenti ce phénomène. Christophe Bonnet vient de le mettre en évidence, de manière expérimentale, au laboratoire de physique des lasers, à l’Université de Rennes 1. Ce temps de pause est enfin mesuré !
C’était une vieille question, à laquelle vient de répondre un jeune doctorant. En 1704, en observant le jeu de la lumière à travers des prismes, Newton observe un phénomène inattendu. Dans les conditions de réflexion totale, la lumière sort du verre à sa surface, avant de se réfléchir un peu plus tard vers l’intérieur du prisme. La loi de la réflexion de Descartes n’est donc pas toujours un phénomène instantané ! Il existe en effet un « délai de Wigner », du nom du prix Nobel de physique hongrois, qui l’a formalisé dans sa théorie de la diffusion en 1955. Mais ce temps, estimé à quelques femtosecondes (10-15 s), était impossible à mesurer avec les sources lumineuses de l’époque !
« Personne ne l’avait fait »
Aujourd’hui, certains lasers permettent l’émission de bouffées de lumières très brèves, de l’ordre de 100 femtosecondes. Le délai de Newton-Wigner peut enfin devenir observable ! Il suffit de placer un détecteur sur l’onde réfléchie pour mesurer le décalage temporel. Mais ce n’est pas si simple. « En positionnant le détecteur comme d’habitude, perpendiculairement à l’onde réfléchie, il y a une compensation automatique du délai, explique Christophe Bonnet, qui a soutenu sa thèse au laboratoire de physique des lasers[1], en septembre dernier (voir schéma). C’est une conséquence de la loi de propagation de la lumière. Nous avons alors eu l’idée de placer le détecteur parallèlement à la surface où se produit la réflexion totale ». Et le temps passé le long de l’interface est enfin connu. C’est tout simple ! « Personne ne l’avait fait », précise Olivier Emile, le directeur de thèse.
Et curieusement, ce n’est pas un délai de Wigner qui a été mesuré grâce à ce procédé, mais deux ! Ce délai dépend en effet de la polarisation de l’onde lumineuse incidente, c’est-à-dire de la direction dans laquelle elle oscille, horizontale ou verticale. Des délais de 30 et de 60 femtosecondes ont été mesurés. « Dans les deux cas, plus on se rapproche d’un angle critique, plus la lumière passe de temps dans le second milieu, résume Christophe Bonnet. C’est une nouvelle lecture des lois de Descartes, où l’on passe continûment des lois de la réflexion totale aux lois de la réfraction » (lire encadré).Plutôt Intéressant, d’un point de vue fondamental.
Fibres optiques
Christophe Bonnet a déjà publié des articles, notamment dans Physical review Letters et Physical letters A. Ce dernier a été salué par la presse scientifique internationale. Les applications concrètes devraient aussi être au rendez-vous. « Le brouillage, lié à la polarisation de la lumière, est notamment observé dans les fibres optiques, où l’on compte 10 millions de réflexions totales par km. Nous apportons une interprétation à ce phénomène ». En outre, les lois de réflexion et réfraction ne s’applique pas seulement à la lumière à travers un prisme en verre, mais se retrouvent dans de nombreux domaines, notamment les ondes sismiques et les particules massives.
NG
L’idée : changer l’orientation du détecteur
Sur ces deux schémas, l’onde émise est représentée en noir. La réflexion est totale, car l’angle θ, entre l’onde et la perpendiculaire de la surface du verre, est supérieur à celui de l’incidence critique. L’onde réfléchie à l’intérieur du verre, c’est-à-dire le rayon incident, correspond à la flèche bleue. Le trait rouge correspond à cette onde, ayant subi un retard à la réflexion totale. Ce retard (∆τ) est le délai de Wigner. Sur le schéma 1, le détecteur D est placé perpendiculairement à l’onde émise. Le temps passé par la lumière en dehors du verre ne peut pas être observé. Mais en plaçant le détecteur parallèlement à la surface, (schéma 2), ce délai ∆τ peut être mesuré.
[1] Laboratoire PALMS, Université de Rennes 1, UMR CNRS 6627.
Contact : Christophe Bonnet, tél. : 02 23 23 61 94, lpl@univ-rennes1.fr, www.palms.univ-rennes1.fr/PHYLAS/
La réflexion totale
Quand une onde lumineuse, dans un bloc de verre, frappe la surface perpendiculairement, le faisceau est transmis en ligne droite. Lorsque l’angle du rayon incident augmente, l’angle du faisceau émergent augmente plus vite, jusqu’à devenir tangent à la surface. Ceci s’explique grâce aux lois de Descartes. Lorsque l’on augmente encore cet angle jusqu’à un angle IC (Incidence critique), la lumière ne peut plus être transmise, elle est alors réfléchie en totalité et reste dans le verre. On appelle ce phénomène la réflexion totale.
|
