Le son contrôle la lumière

04.02.2015

Au début du siècle dernier, le physicien soviétique Leonid Mandelstam a théoriquement montré que les vibrations sonores dans une substance transparente peuvent diffuser la lumière traversant cette substance. Les ondes sonores provoquent des changements locaux dans la densité du milieu et, par conséquent, modifient l'indice de réfraction. Du fait de cette diffusion, une partie de l'énergie lumineuse est perdue. Indépendamment de Mandelstam, le physicien américain Leon Brillouin est arrivé aux mêmes résultats. En conséquence, l'interaction du son et de la lumière dans les milieux transparents s'appelait l'effet Mandelstam-Brillouin.

Cependant, nous ne remarquons pas que la musique forte diffuse la lumière d'une ampoule, comme, par exemple, la lumière des phares de voiture se disperse dans le brouillard. L'effet ne deviendra perceptible que si, au lieu d'une ampoule ordinaire, nous prenons une source de rayonnement monochromatique - un laser. Le fait est que le faisceau laser est un rayonnement électromagnétique à une longueur d'onde, qui détermine sa "couleur". Le faisceau rouge a une longueur d'onde, le faisceau vert en a une autre.

Prenons maintenant une ligne de données à fibre optique. Le principe de son fonctionnement est que l'information est transmise en modifiant l'intensité d'un faisceau lumineux se propageant le long d'un fil de verre transparent. Un seul brin de fibre optique peut être utilisé simultanément pour transmettre des données sur des centaines de canaux, simplement en utilisant des faisceaux lumineux de différentes longueurs d'onde. Chaque canal correspond à une longueur d'onde laser spécifique. C'est assez similaire avec la transmission de données par ondes radio, à une exception près : si nous augmentons la puissance de l'émetteur radio, alors la puissance du signal et la portée de sa réception augmentent. Si nous augmentons la puissance du laser pour transmettre un signal sur une fibre optique, la transmission se détériore - de plus en plus de signal commencera à être perdu en raison de la diffusion Mandelstam-Brillouin. Par conséquent, il existe une puissance de signal seuil, qu'il n'est pas logique de dépasser, sinon la lumière transmise sera simplement réfléchie.

Qu'ont fait les physiciens de l'Université de l'Illinois ? Sur un mince brin de fibre optique, ils ont fixé une petite sphère de verre. Cette conception s'appelle un résonateur optique en anneau. Un faisceau laser provenant d'un filament de fibre optique pénètre dans le résonateur et, en raison d'une réflexion interne multiple, y reste, comme dans un piège. Le point clé de l'expérience était le deuxième faisceau laser, avec une fréquence qui diffère de celle d'origine d'une certaine quantité. La différence des fréquences des faisceaux laser correspondait à la fréquence des vibrations acoustiques du matériau de la sphère. Cela a rendu le système de fibre optique et de résonateur transparent au premier faisceau.

Ce qui est le plus surprenant, un tel système s'est avéré transparent aux rayons d'un seul côté. Il s'est avéré être une sorte de tourniquet optique - la lumière passe d'un côté et ne peut pas passer de l'autre. Une propriété aussi intéressante est due à l'interaction complexe de deux rayons lumineux et d'ondes acoustiques dans un matériau - l'effet de diffusion Mandelstam-Brillouin. Seulement dans ce cas, au lieu d'empêcher le passage du faisceau à travers la fibre, il lui a au contraire fourni un couloir libre.

La découverte de telles propriétés permettra de créer des isolateurs et des circulateurs optiques miniatures, nécessaires aux systèmes à fibres optiques et, à l'avenir, aux ordinateurs quantiques. Désormais, ces dispositifs sont basés sur l'effet Faraday magnéto-optique, et les champs magnétiques et les matériaux sont utilisés pour transmettre la lumière dans une seule direction. La découverte faite aidera juste à se débarrasser des champs magnétiques inutiles. De plus, il peut être utilisé pour modifier la vitesse de groupe d'un faisceau lumineux - ce que les physiciens appellent la lumière "rapide" et "lente", il est nécessaire pour stocker des informations quantiques.

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