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Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop CR (CNRS), Université de Provence.

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1 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop CR (CNRS), Université de Provence

2 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science – Année mondiale de la physique Einsteins « annus mirabilis »

3 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Roy J. GlauberJohn L. HallTheodor W. Hänsch 1/2 of the prize Harvard University Cambridge, MA, USA The Nobel Prize in Physics 2005 "for his contribution to the quantum theory of optical coherence" "for their contributions to the development of laser- based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique"

4 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le plan la mesure du temps le laser lhorloge atomique le projet calcium

5 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 la mesure du temps le laser lhorloge atomique le projet calcium

6 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 la mesure du temps Un étalon de fréquence dans le domaine optique… …ou comment mesurer le temps avec une précision inégalée !

7 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 la mesure du temps PRINCIPE on se sert dun phénomène cyclique on compte un nombre de périodes pour une grande précision, il faut un grand nombre de périodes fréquence temps

8 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Un peu dhistoire… Anciens tempsCadran solaireClepsydre Sablier - Bougie © Francis Lagardesse. Septembre Horloge ChronomètreQuartz Atome

9 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Lhorloge à césium la seconde est définie à partir dune transition atomique depuis oct cest une transition hyperfine du Cs à = GHz précision de 2 x = 1 seconde en 3,2 millions dannées définition du temps « officiel », utilisation pour le trafic, la transmission des données, le GPS, les cookies… appareils radiocommandés (émetteur DCF-77 de la PTB à Mainflingen/Allemagne)

10 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Encore plus de précision… mesures de constantes fondamentales (Rydberg) observation des pulsars ultrastables (PSR ) détection dondes gravitationnelles (1cycle/an) augmentation de la cadence dans les transmission de données positionnement de bateaux, camions,... (GPS, Galilée) … en augmentant la fréquence de la transition de référence

11 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le temps - temps atomique international –temps universel (astronomique) temps universel coordonné ( secondes intercalaires)

12 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 la mesure du temps le laser lhorloge atomique le projet calcium

13 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser De la mémoire à la lecture optique…

14 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 un oscillateur très précis un laser dans le visible = nm = qq 100 THz un oscillateur dune largeur de qq Hz précision dérives et instabilités

15 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le spectre électromagnétique la lumière est une onde lumière rouge = 680 nm lumière verte-jaune = 550 nm lumière violette = 410 nm

16 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le spectre électromagnétique : nombre de périodes par seconde

17 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le spectre électromagnétique avec c = m/s 1nm = m Hz énergie dun photon E = h

18 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Petit intermède : ???? ???? Lille Marseille 1000 km : distance mesurée à 1 mm près Terre Soleil 150 millions de km : distance mesurée à 0,15 mm

19 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le spectre atomique la lumière est composée de particules, les photons

20 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le spectre atomique Absorption Emission spontanée

21 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser Amplification par émission stimulée Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation atome excité

22 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Émission stimuléeCavité (rétroaction) Pompage (électrique, optique …) Inversion de population milieu amplificateur

23 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser diverses réalisations selon le milieu amplificateur et le pompage

24 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser laser 20W Argon, laser HeNe, laser Nd:YAG, laser CO2, diodes laser….

25 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser incohérent - cohérent 60W 1mW

26 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser résumé longueur donde précise largeur spectrale cohérence (focalisation) faible divergence largeur spectrale 1 MHz/500 THz nm/500nm 500,00000 x nm

27 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser - applications le lecteur de CD (780 nm) /DVD (640nm) /Blu-Ray (405nm)

28 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser - applications limprimante laser

29 DPSS Applications AVIA - via hole drilling 18 m thick Cu layer 60 m epoxy resin 50 m trepanned through holes 20kHz ~10 holes/sec

30 AVIA-Polyimide processing Electronic packaging –PCB –flex circuits –polymer stencil microfluidic devices wire/cable tapes and for other electronic insulation apps.

31 Cold marking on plastic 355nm light interacts photochemically with TiO 2 pigment high contrast mark w/ no surface damage laser fluence of <0.3 J/cm^2 medical and food packaging markets

32 32 15 octobre 2003 F. BALEMBOIS Laser Nd:YAG déclenché Laser Nd:YAG déclenché Exemple deffacement de tatouage les pigments de couleur sont cassés par linteraction avec le laser, puis évacués par le système immunitaire du corps

33 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Télémétrie laser

34 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Télémétrie laser Mesures de distance par mesure du temps de parcours

35 35 LASIK : Laser-Assisted In Situ Keratomileusis Photo-ablation : chirurgie réfractive de la cornée pour la correction de la vue en utilisant un laser à excimère impulsionnel (UV) Resurfaçage interne de la cornée, assistée par ordinateur précision de 0,25 µm keratectomie Laser à excimère Correction de la myopie

36 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Light saber

37 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 la mesure du temps le laser lhorloge atomique le projet calcium

38 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 le laser résumé longueur donde précise largeur spectrale cohérence (focalisation) faible divergence largeur spectrale 1 MHz/500 THz nm/500nm 500,00000x nm interrogation dautres atomes = résonance

39 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 un oscillateur très précis un laser dans le visible = nm = qq 100 THz un oscillateur dune largeur de qq Hz précision dérives et instabilités

40 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 une horloge atomique oscillateur référence atomique ou moléculaire sortie traitement de l'interrogation signal d'erreur une transition hyperfine du Cs à = GHz stable et précis précis

41 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 linterrogation de latome absorption émission

42 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 leffet Doppler une source à la vitesse v envoie des informations tous les T em (= 1/f 0 ) si lémetteur séloigne cT rec = T em (c+v) T rec = T em (c+v)/c T rec = T em (1+v/c) si lémetteur se rapproche cT rec = T em (c-v) T rec = T em (c-v)/c T rec = T em (1-v/c)

43 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 leffet Doppler lémetteur bouge à la vitesse v lémetteur est immobilef 0 v

44 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 leffet Doppler leffet Doppler élargit les transitions atomiques observés quand latome bouge il est proportionnel à la vitesse de latome (et donc à sa température) largeur à mi-hauteur f f0f0

45 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 la mesure du temps le laser lhorloge atomique le projet calcium

46 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Le projet calcium étalon de fréquence dans le domaine optique (729 nm) un ion unique confiné dans un piège miniature système de laser tout- solide refroidissement par laser Univ. Mainz; CRL, Kobe; Osaka University; Univ. Innsbruck; MPI für Quantenoptik, Garching; Oxford University; Univ. de Provence, Marseille

47 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Le piège de Paul électrodes métalliques avec application dun champ confinement pendant des durées très longues (des heures…) permettant des études de grande précision (temps dinteractions très grands) sélectivité en e/m

48 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006

49 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Du nuage à lion unique… nuage dions approx 500 ions, T 1000K 1 ion

50 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Montage expérimental 40 Ca + repumping nm 2 S 1/2 detection and laser cooling 397 nm - clock transition nm 2 D 3/2 2 D 5/2 2 P 3/2 2 P 1/2

51 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Montage expérimental

52 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Montage expérimental

53 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Montage expérimental

54 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Des ions uniques résolution 3.3 m

55 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Refroidissement laser limite Doppler T limit = (Ca + : avec et = laser - atome

56 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Conclusion définition du temps par un nombre de périodes par seconde le principe du LASER largeur spectrale (du laser et de latome) les horloges de demain seront basées sur des lasers

57 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Pour en savoir plus… sur Internet : « How stuff works » à lAgora des Sciences, Marseille en librairie….

58 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006

59 Des lasers pour la mesure du tempsMartina Knoop - Fête de la Science 2006 Questions ???


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