Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

2 2005 – Année mondiale de la physique
Einstein’s « annus mirabilis » Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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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" Roy J. Glauber John L. Hall Theodor W. Hänsch   1/2 of the prize Harvard University Cambridge, MA, USA Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

4 Martina Knoop - Fête de la Science 2006
le plan la mesure du temps le laser l’horloge atomique le projet calcium Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

5 Martina Knoop - Fête de la Science 2006
la mesure du temps le laser l’horloge atomique le projet calcium Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

6 Martina 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 ! Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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la mesure du temps PRINCIPE ● on se sert d’un phénomène cyclique ● on compte un nombre de périodes ● pour une grande précision, il faut un grand nombre de périodes ● fréquence  temps Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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Un peu d’histoire… Anciens temps Cadran solaire Clepsydre Sablier - Bougie Atome Horloge Chronomètre Quartz   ©  Francis Lagardesse. Septembre Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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L’horloge à césium la seconde est définie à partir d’une transition atomique depuis oct c’est une transition hyperfine du Cs à n = GHz précision de 2x10-14 = 1 seconde en 3,2 millions d’années 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) Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

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

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la mesure du temps le laser l’horloge atomique le projet calcium Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

14 un oscillateur très précis
un laser dans le visible l = nm n = qq 100 THz un oscillateur d’une largeur de qq Hz précision dérives et instabilités n Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

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

17 le spectre électromagnétique
1nm = 10-9 m énergie d’un photon E = h n avec c = m/s n Hz Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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Petit intermède : ???? ???? Lille 1000 km Terre 10-9 : distance mesurée à 1 mm près 150 millions de km 10-15 : distance mesurée à 0,15 mm Marseille Soleil Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

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

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

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

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

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

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le laser incohérent cohérent 60W mW Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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le laser résumé longueur d’onde précise largeur spectrale cohérence (focalisation) faible divergence largeur spectrale 1 MHz/500 THz ≈10-6 nm/500nm 500,00000x nm Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

28 le laser - applications
l’imprimante laser Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

29 DPSS Applications AVIA - via hole drilling
18mm thick Cu layer 60mm epoxy resin 50mm 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 TiO2 pigment high contrast mark w/ no surface damage laser fluence of <0.3 J/cm^2 medical and food packaging markets

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

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Télémétrie laser Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

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

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Light saber Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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la mesure du temps le laser l’horloge atomique le projet calcium Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

38 Martina Knoop - Fête de la Science 2006
le laser résumé longueur d’onde précise largeur spectrale cohérence (focalisation) faible divergence largeur spectrale 1 MHz/500 THz ≈10-6 nm/500nm 500,00000x nm interrogation d’autres atomes = résonance Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

39 un oscillateur très précis
un laser dans le visible l = nm n = qq 100 THz un oscillateur d’une largeur de qq Hz précision dérives et instabilités n Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

41 l’interrogation de l’atome
absorption émission Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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l’effet Doppler une source à la vitesse v envoie des informations tous les Tem (= 1/f0 ) si l’émetteur s’éloigne cTrec = Tem (c+v)  Trec= Tem (c+v)/c  Trec= Tem (1+v/c)  si l’émetteur se rapproche cTrec = Tem (c-v)  Trec= Tem (c-v)/c  Trec= Tem (1-v/c)  Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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l’effet Doppler l’émetteur est immobile f0 l’émetteur bouge à la vitesse v v Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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l’effet Doppler l’effet Doppler élargit les transitions atomiques observés quand l’atome bouge il est proportionnel à la vitesse de l’atome (et donc à sa température) largeur à mi-hauteur f f0 Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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la mesure du temps le laser l’horloge atomique le projet calcium Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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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 Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

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image fev02Dpm Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

49 Du nuage à l’ion unique…
nuage d’ions approx 500 ions, T1000K Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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Montage expérimental PM filter ICCD beamsplitter achromat f=300 mm shutter objectif f=50mm D uhv window piège aspheric lens PBS PD dichroic mirror power stabilisation pompe ionique AOM Glan prism PM fiber l /2 729 nm 866 nm 397 nm singlemode fiber 40Ca+ repumping nm 2S1/2 detection and laser cooling 397 nm - clock transition nm 2D3/2 2D5/2 2P3/2 2P1/2 Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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Montage expérimental Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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Montage expérimental Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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Montage expérimental Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

55 Refroidissement laser
avec et d = wlaser-watome limite Doppler Tlimit = (Ca+: Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

56 Martina 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 l’atome) les horloges de demain seront basées sur des lasers Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

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

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Questions ??? Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006