RAUHUT Constance

Chaque fois que le travail sur un article ou un sujet est terminé, placer son compte-rendu en commentaire du billet qui vous est attitré. Il sera ensuite référencé comme il se doit.

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[Rauhut]

 
Les lasers ultra-intenses.

Gerard Mourou, Donald Umstader,
PS n°298, Août 2002, p.82-88.

Mots Clés:   lasers, impulsions, faisceaux, physique des particules, fusion thermonucléaire, accélération, optique relativiste, collisionneurs gamma gamma, radiographie.

Notes:   Un article sur l'utilisation du laser ultra intense pour la chirurgie de la cornée qui est très interressant. Les procédés sont bien décrits, avec des schémas.

Contenu:   Le miroir parabolique a été le premier instrument optique capable de concentrer des rayons lumineux, vers -200. Aujourd'hui, la mécanique quantique nous permet d'obtenir une lumière laser de très grande intensité, notemment avec les lasers Nova et Mégajoule, le premier comportait une dizaine de chaines parallèles d'amplificateurs et aussi grand qu'un terrain de football. Il reproduisait les conditions qu'il y avait au sein du Soleil. Les nouveaux lasers atteignent la même puissance mais libèrent moins d'énergie pour le faire. Leurs impulsions sont plus courte mais ils atteignent une puissance de 10 terrawatts, puissance supérieure à celle de toutes les centrales éléctriques terrestres. On pobtient ainsi de très fortes intensités lumineuses. On peut ainsi recréer des conditions proches de celles d'un coeur stellaire ou d'un trou noir. De plus ces lasers trouvent de nombreuses applications en physique et en médecine.
Le principe du laser a été posé en 1960. Les lasers atteignirent par la suite 1 gigawatt, mais au delà des phénomènes dégradant la qualité du faisceau et les composants apparaissaient. En 1985 ce problème a été résolut grace à la méthode d'amplification d'impulsions. Le principe est d'étirer les impulsion dans le temps pour les amplifier sans détruire les composants puis les compresser pour qu'elles redeviennent courte. En théorie la méthode paraît simple, mais elle est difficile à mettre en oeuvre. Les composants doivent être complémentaires et la focalisation spatiale du faisceau doit être parfaite. Aujourd'hui on arrive à créer des impulsion optimales, qui ont la plus grande intensité possible pour une énergie donnée.
On peut ainsi aborder l'optique relativiste. Les propriétés optiques d'un matériau sont dues aux interractions entre ses électrons et les photons de lumière. Le champ électrique d'une onde fait osciller un électron parallèlement au champ électrique et à la même fréquance que l'onde lumineuse. On peut ainsi déterminer comment l'onde lumineuse se propage dans le matériau. La lumière réagit avec la matière nucléaire, avec ces découvertes sur la lumière, l'ensemble des phénomènes nucléaires qui peuvent se produire constituent alors le domaine de l'optique nucléaire.
L'accéleration de particules est aussi une application de l'optique nucléaire. Elle a de nombreuses applications par exemple dans les télévisions ou la radiothérapie. Dans ces ionstallations, les électrons, positons ou les protons sont accélérés par des champs électriques ou magnétiques. En optique relativiste quand une impulsion illumine un plasma elle propulse les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière. Les ions du plasma restent en arrière, cette séparation des charges positives et négatives engendre un intense champ électrique qui peut accélérer les particules.
Une autre application sont les collisionneurs gamma gamma, pour la physique des particules. Quand un faisceau laser à grande puissance rencontre un faisceau d'électrons, un faisceau de rayons gamma est produit. Avec le mécanisme Compton, les photons du laser rebondissent sur les électrons. L'énergie du rayonnement gamma produit est alors proche de celle du faisceau d'électrons. Les lasers ultra intenses permettraient aussi de trouver des aplications dans la fusion nucléaire. Néanmoins on n'a pas encore réussi à construire de réacteur produisant plus d'énergiequ'il n'en consomme. Ils ont également un rôle dans la médecine, pour la lutte contre le canceren particulier.Les rayons X, utilisés pour la radiographie, sont produits en accélérant les électrons qui libèrent des rayons X quand ils heurtent une anode. La plus petite tumeur détectable est de un millimètre de diamètre.
Il reste encore à améliorer la résolution à l'aide des lasers ultra-intenses, on espère atteindre une précision de l'ordre du micromètre afin de détruire les cellules cancéreuses à un stade peu avancé. Pour l'instant, les lasers ne sont pas assez énergétiques et offrent une trop grande dispertion. En ôtant ces deux embuches la radiothérapie pourrait, grace aux lasers ultra-intenses, progresser.
Compléments:
Laser à impulsion ultra-courte, dans le PS n°277 de Novembre 2000.

[Jean-Philippe Qadri]

Mises en ligne (24/06/07) :DLR n°7 : Pourquoi fabriquer des ordinateurs ? : Certes le sujet est intéressant, mais quel rapport avec la physique en TIPE ?LR n°315 : Le magnétismePS n°298 : Les lasers ultra-intenses (joli :-))

[Rauhut]

 Le magnétisme.
Claude Reyraud
LR n°315, Décembre 1998, p.84-87.
MC: magnétisme, aimant, électricité, lumière, IRMN, pôles, champ magnétique, solénoïde
Notes: Le texte explique l'origine du magnétisme terrestre. Un des problèmes est de se représenter les expériences qui ne sont pas schématisées (voir le lien pour le schéma interractif de la solénoïde).
Contenu:  Le magnétisme est connu depuis 2500 ans. A cette époque on savait qu'il existait une pierre qui attirait le fer, la magnétite, qui est un oxyde de fe. C'est en chine, au 10ème siècle, qu'ont été utilisées les premières boussoles. Mais c'est seulement en 1600 que W.Gilbert découvre que les aimants s'attirent par leurs pôles opposés.
Au 18ème siècle on observe que la foudre peut aimanter une barre de fer, on soupçonne alors un lien entre l'électricité et le magnétisme. En 1820 on observe qu'une boussole s'affole quand elle est plaée près d'un fil conducteur où circule un courant. Il y a une activité magnétique. Ampère montre l'analogie entre l'électricité et le magnétisme par des expériences, notemment celle du solénoïde. Il a deux pôles qui repoussent ou attirent ceux d'un aiment permanant. Un courant peut donc générer un champ magnétique.
Dès 1845 on note qu'un aimant droit peut agir sur la lumière. Si on le place parallèlement à un rayon lumineux, il peut faire tourner le plan de polarisation du rayon. La lumière peut également disparaitre après sa réflexion sur un miroir.
Il existe plusieurs forces exercées par un champ magnétique. La force d'attraction entre les pôles opposés d'un aimant est, d'après Coulomb, "inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare les pôles des aimants et proportionnelle au produit de leurs masses magnétiques". Ensuite la force magnétique qui agit sur un courant, appelée force de Laplace, qui fait bouger u conducteur cylindrique mobile sur son circuit quand on approche un aimant. On trouve des applications à cette force, qui permettent par la suite la construction de detecteurs permettant d'observer les variations du champ magnétique de la Terre, mesurées en Tesla (T).
On peut faire un modèle du champ magnétique de notre planète. C'est un aimant quasi ponctuel dont le pôle sud est orienté approximativement vers le nord, et inversement.L'origine du champ terrestre semble être son noyau, composé en grande partie de fer. Le champ magnétique terrestre varie en fonction de la latitude. A une certaine distance de la Terre il crée un bouclier magnétique, la magnétosphère. Ce dernier devie les paricules chargées du vent solaire qui créent les aurores boréales en prenant la direction des pôles magnétiques.Les champs magnétiques les plus fréquents que nous utilisons sont les aimants classiques, ceux qu'on utilise dans les moteurs électriques, les hauts parleurs et les téléphones portables.
Les scienttifiques affirment qu'un champ de 8T est sans danger pour l'homme mais qu'une exposition supérieure serait dangeureuse. Il est tout de même possible de faire léviter quelques minutes un petit animal grace au diamagnétisme. Quand à l'usage des téléphones portables il est impossible de prévoir à long terme l'effet des ondes sur le corps humain. Mais si il y a des aspects négatifs, le magnétisme peut être très utile à l'homme. A partir de 1775, Messmer fait des essais de cure à base d'aimants qui connaissent un grand succès. Mais les docteurs attribuent les effet du "mesmérisme" à l'imagination des patients. Aujourd'hui, une des plus grandes applications du magnétisme est l'Imagerie par Résonnance Magnétique Nucléaire, qui permet de visualiser les tissus biologiques. Elle permet d'obtenir des images très précises et permet de nombreuses applications dans le secteur hospitalier.
Compléments: www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electri/solenoid.html.
Je suis désolée je l'avais mal posté la dernière fois alors je le reposte.

[Rauhut]

Le magnétisme.,Claude Reyraud,La Recherche n°315, Décembre 1998, p.84-87.MC : magnétisme, aimant, électricité, lumière, IRMN, pôles, champ magnétique, solénoïde.Notes :Le texte explique l'origine du magnétisme terrestre. Un des problèmes est de se représenter les expériences qui ne sont pas schématisées (voir le lien pour le schéma interractif de la solénoïde)..Contenu : Le magnétisme est connu depuis 2500 ans. A cette époque on savait qu'il existait une pierre qui attirait le fer, la magnétite, qui est un oxyde de fe. C'est en chine, au 10ème siècle, qu'ont été utilisées les premières boussoles. Mais c'est seulement en 1600 que W.Gilbert découvre que les aimants s'attirent par leurs pôles opposés.Au 18ème siècle on observe que la foudre peut aimanter une barre de fer, on soupçonne alors un lien entre l'électricité et le magnétisme. En 1820 on observe qu'une boussole s'affole quand elle est plaée près d'un fil conducteur où circule un courant. Il y a une activité magnétique. Ampère montre l'analogie entre l'électricité et le magnétisme par des expériences, notemment celle du solénoïde. Il a deux pôles qui repoussent ou attirent ceux d'un aiment permanant. Un courant peut donc générer un champ magnétique.Dès 1845 on note qu'un aimant droit peut agir sur la lumière. Si on le place parallèlement à un rayon lumineux, il peut faire tourner le plan de polarisation du rayon. La lumière peut également disparaitre après sa réflexion sur un miroir. Il existe plusieurs forces exercées par un champ magnétique. La force d'attraction entre les pôles opposés d'un aimant est, d'après Coulomb, "inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare les pôles des aimants et proportionnelle au produit de leurs masses magnétiques". Ensuite la force magnétique qui agit sur un courant, appelée force de Laplace, qui fait bouger u conducteur cylindrique mobile sur son circuit quand on approche un aimant. On trouve des applications à cette force, qui permettent par la suite la construction de detecteurs permettant d'observer les variations du champ magnétique de la Terre, mesurées en Tesla (T).On peut faire un modèle du champ magnétique de notre planète. C'est un aimant quasi ponctuel dont le pôle sud est orienté approximativement vers le nord, et inversement.L'origine du champ terrestre semble être son noyau, composé en grande partie de fer. Le champ magnétique terrestre varie en fonction de la latitude. A une certaine distance de la Terre il crée un bouclier magnétique, la magnétosphère. Ce dernier devie les paricules chargées du vent solaire qui créent les aurores boréales en prenant la direction des pôles magnétiques.Les champs magnétiques les plus fréquents que nous utilisons sont les aimants classiques, ceux qu'on utilise dans les moteurs électriques, les hauts parleurs et les téléphones portables.Les scienttifiques affirment qu'un champ de 8T est sans danger pour l'homme mais qu'une exposition supérieure serait dangeureuse. Il est tout de même possible de faire léviter quelques minutes un petit animal grace au diamagnétisme. Quand à l'usage des téléphones portables il est impossible de prévoir à long terme l'effet des ondes sur le corps humain. Mais si il y a des aspects négatifs, le magnétisme peut être très utile à l'homme. A partir de 1775, Messmer fait des essais de cure à base d'aimants qui connaissent un grand succès. Mais les docteurs attribuent les effet du "mesmérisme" à l'imagination des patients. Aujourd'hui, une des plus grandes applications du magnétisme est l'Imagerie par Résonnance Magnétique Nucléaire, qui permet de visualiser les tissus biologiques. Elle permet d'obtenir des images très précises et permet de nombreuses applications dans le secteur hospitalier..Compléments :Pour observer un solénoïde: www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electri/solenoid.html.

[Rauhut]

Pourquoi fabriquer de ordinateurs ?,Paul N Edwards,La Recherche HSn°7, avril/juin 2002, p.21-26.

MC : ordinateur, guerre, haute technologie, politique, informatique, système SAGE, projet Whirlwind.
Notes :Cet article présente le rôle idéologique et politique joué par les ordinateurs en période de guerre, une facette de ces technologies en général peu abordée mais intéressante.
Contenu : C’est pendant la guerre froide que les armes de destruction massive sont le plus développées, et c’est aussi dans cette période qu’on développe les ordinateurs, développement qui aura pour effet d’accélérer la mise en place du climat de la Guerre Froide. L’ordinateur a été conçu pour servir à la guerre. En effet la première tâche confiée au premier ordinateur numérique électronique, conçu en Amérique, a été de résoudre une équation pour la recherche sur la bombe à hydrogène. Les premiers ordinateurs n’ont été conçus en série qu’après des promesses d’achat de la part de membres de l’Armée. Le projet Whirlwind(1946-1956) est le plus important de son époque. Le Whirlwind est un ordinateur numérique dont le but est de réduire le temps et le coût du développement des avions et faciliter l’entraînement des pilotes. La nouveauté de cette machine est qu’en plus de contrôler, elle doit le faire en temps réel. Viennent ensuite les centres SAGE, des centres à ordinateurs gigantesques, qui traitent des informations pour l’Armée des Etats-Unis. Mais ce système ne fonctionnera pas comme espéré et sera même dépassé, en niveau technologique, avant d’être entièrement achevé. Il a néanmoins été utile en créant l’illusion que les Etats-Unis disposaient d’une défense aérienne impénétrable.
 

[Rauhut Constance]

Les BIPs ou comment réfléchir la lumière avec des trous.
Vincent Berger
La Recherche n°290, septembre1996, p.74-79.
MC: BIPs, cristaux photoniques, trous, lumière, photon, éléctron, miroirs, miroirs de Bragg, réfléction, lasers, structure périodique, bande d'énergie interdite, télécommunications optiques, radars...

Notes: Des schémas explicatifs clairs et simples montrant les structures périodiques. Un encadré expliquant plus précisemment ce que sont les miroirs de Bragg.

Contenu:

Le comportement du photon ressemble un peu à celui de l'électron. Or, ce dernier circule dans des matériaux semi-conducteurs, qui sont des cristaux (silicium...) à structure périodique. Vers la fin des années 80 Eli Yablonovitch(chercheur aux EU) a été le premier à se demander comment reproduire ce genre de structure à "bandes d'énergie interdites"(qui interdient le passage de certaines fréquances lumineuses, cf 3ème §) qui concernerait, cette fois ci, les photons.
On a nommé ces structures les BIPs( pour Bande Interdite Photonique), plus généralement appelées cristaux photoniques.Ils ont la propriété d'empécher certaines gammes de lumière de passer, propriété réfléchissante qui peut se montrer très utiles dans certains domaines:
* Emissions d'antennes radars: elles pourraient être mieux dirigées et on réduirait les pertes d'énergie.
* Interconnexions optiques / optoéléctronique: on cherche à obtenir "le laser sans seuil", autrement dit sans pertes, pour lequel tout éléctron serait convertit en photon utile.
Quel est le fonctionnemnt des BIPs? On peut pour cela faire une analogie avec les miroirs de Bragg(ensemble de couches transparantes distinctes et superposées de manière périodique), des miroirs de grande précision utilisés en optique. Leur principe est de réfléchir la lumière, quelque soit l'angle incidant du faisceau qui rencontre le matériau. Il y a pour cela une condition à remplir: le contraste d'indice entre l'air et le matériau doit être supérieur ou égal à deux. On essaye donc de réaliser des matériaux à structures périodiques se raprochant de celles des cristaux (l'article présente différentes méthodes). Il y a néanmoins des difficultées quand à la réalisation des petites structures (galleries, gravures, fibres...) qui se détériorent ou se brisent car elles sont fragiles. Il reste donc encore des progrès à faire dans le domaine de la réflexion par les cristaux photoniques.

Compléments: (donnés par l'article)

*Numéro spécial "Photonic band structures", Journal of Modern Optics, 41, n°2, 1994
*C.Weisbuch et E.Burstein (eds.), Confined electrons and photons: new physics and applications, Plénium, 1994
*J.D.Joannopoulos et al., Photonic cristals. Molding the flow of light, Princeton University Press, 1995
*V.Berger, Matériaux à bande interdite photonique. Etat de l'art, rapport édité par la DRET, 1995.

[Jean-Philippe Qadri]

Veille à respecter la présentation désormais facilitée avec les consignes dans les billets concernés
Mise en ligne (1/03/07) : LR n°290 : Les BIPs ou comment réfléchir la lumière avec des trous