proposition de stage m2 plm

PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois)
Orientation Recherche
Année universitaire 2015-2016
Titre : Ondes de choc dispersives dans les fibres optiques.
Responsable : Guy Millot
Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) UMR 6303 CNRS/ UBFC
Collaborateurs : de l’équipe SLCO : Christophe Finot, Bertrand Kibler, Julien Fatome.
Lieu du stage : Equipe SLCO, Axe Photonique ICB, Faculté des Sciences Mirande, Dijon
Description sommaire du sujet :
Les ondes de choc dispersives sont des structures fascinantes, observées dans de nombreux domaines
tels que l'aérodynamique (passage du mur du son par un avion), la formation des nuages ("Morning
Glory cloud") ou les condensats de Bose-Einstein. L’une des manifestations les plus spectaculaires de
ces ondes de choc apparaît en hydrodynamique sous la forme de mascarets. La condition essentielle
pour observer ces ondes de choc est que le milieu de propagation soit fortement non linéaire et
faiblement dispersif. Bien que ces conditions soient assez fréquentes, les expériences de laboratoire
permettant d’étudier et de caractériser finement ces ondes sont difficiles à mettre en œuvre. C’est
dans ce contexte que les fibres optiques s’avèrent être des bancs d’essais extrêmement intéressants
pour observer et étudier ces ondes, grâce à la stabilité et à la grande dynamique de mesure offertes par
les dispositifs télécoms fibrés. C’est ainsi que récemment l’équipe SLCO a pu générer des mascarets
optiques et étudier leur collision [Fatome, Finot, Millot, Amaroli, Trillo, Physical Review X, 021022
(2014)]. Dans une expérience encore plus récente nous avons exploité les ondes de choc dispersives
pour générer des peignes de fréquences à cohérence et platitude très élevées. Les propriétés
exceptionnelles de ces peignes de fréquences nous ont permis de mettre en œuvre une expérience
originale de spectroscopie basée sur les interférences de deux peignes de fréquences mutuellement
cohérents et avec des taux de répétition légèrement différents [Millot, Pitois, Yan, Hovhannisyan,
Bendahmane, Hänsch, Picqué, à paraître dans Nature Photonics].
Dans des fibres optiques les ondes de choc dispersives apparaissent lors de la propagation
d’impulsions en régime de dispersion normale et de forte non-linéarité. Elles se manifestent par
l’apparition d’un front d’onde abrupt qui donne naissance, d’abord à une discontinuité, puis à des
oscillations rapides régularisant le système. Ces conditions sont exactement celles qui apparaissent
avec les impulsions picosecondes utilisées dans l’expérience de spectroscopie par peignes de
fréquences. L’idée du stage est d’étudier en détail la dynamique complexe de ces ondes de choc par le
développement d’un modèle théorique hydrodynamique semi-classique, l’étude de l’évolution
asymptotique s’appuyant sur le concept original de « spectron » (impulsion auto-similaire avec des
profils temporel et spectral identiques), la réalisation de simulations numériques à partir de l’équation
de Schrödinger non linéaire et la réalisation d’expériences adaptées permettant une caractérisation
précise de ces ondes. Ce domaine de recherche fortement pluridisciplinaire sera conduit en partenariat
avec le Prof. Stefano Trillo de l’université de Ferrara en Italie avec lequel l’équipe SLCO interagit
depuis de nombreuses années et avec le Dr. Nathalie Picqué, groupe du Prof. Th. Hänsch, au Max-
Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) à Garching en Allemagne.
Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Expérimental et théorique
Connaissances requises particulières : Matlab
Formation souhaitée de l'étudiant : Master PLM ou autre Master de Physique (avec des
connaissances de base en optique non linéaire dans les fibres)

PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois)
Orientation Recherche
Année universitaire 2015-2016
Titre : Optique ultra-rapide dans des rotors moléculaires synchrones
Responsable(s) : O. Faucher - [e-mail], tél. [phone].
Laboratoire : ICB
Collaborateurs : E. Hertz, B. Lavorel, F. Billard
Lieu du stage : ICB – Equipe PFL
Description sommaire du sujet :
L’étude de molécules présentant un mouvement cohérent de rotation unidirectionnelle est un sujet
émergent du domaine des processus ultra-courts. Elle s’inscrit dans la thématique de contrôle des
mouvements moléculaires, sur laquelle le laboratoire occupe un rôle leader de part ses nombreux
travaux réalisés sur le contrôle cohérent de la dynamique rotationnelle en phase gazeuse. Ce
nouveau type d’état, caractérisé par une orientation synchronisée des moments angulaires de
rotation, suscite actuellement un très vif intérêt en raison des nouvelles applications envisagées
dans le domaine de l’optique ultra-rapide [1] et de la physique moléculaire [2].
Le stage portera sur la production et l’étude de l’orientation de moments angulaires moléculaires
menant à la rotation cohérente unidirectionnelle de molécules dans un même plan (UDR en Anglais,
pour unidirectional rotation). Le sujet s’inscrit dans la continuité de nos récents travaux sur la
production et la caractérisation de l’UDR par impulsions laser ultra-courtes mises en forme [3], la
génération d’harmoniques d’ondes circulaires dans des molécules alignées par laser [4] et la
production d’échos rotationnels [5]. Nous étudierons les différentes stratégies permettant
d’optimiser la rotation unidirectionnelle (molecular spinning) et développerons les outils nécessaires
à sa caractérisation. Nous appliquerons le concept de l’UDR à la réalisation d’un modulateur
moléculaire ultra-rapide (terahertz) permettant le décalage ou l’élargissement spectral
d’impulsions laser ultra-courtes dans le domaine des longueurs d’onde IR, visible ou UV.
Durant le stage, il s’agira de développer un dispositif optique permettant de produire des impulsions
chirales ultra-courtes et intenses. Cette mise en forme sera basée sur l’utilisation d’ondes à dérive
de fréquence dont la polarisation sera temporellement ajustable. Les impulsions synthétisées seront
ensuite appliquées à un ensemble de molécules linéaires en phase gazeuse afin de convertir leur
mouvement de rotation isotrope en un ensemble cohérent de rotateurs synchrones évoluant selon la
même direction.
Références :
[1] O. Korech, U. Steinitz, R.J. Gordon, I.S. Averbukh, Y. Prior, Observing molecular spinning via the
rotational Doppler effect, Nat Photon., 7 (2013) 711-714.
[2] Y. Khodorkovsky, U. Steinitz, J.-M. Hartmann, I.S. Averbukh, Collisional dynamics in a gas of
molecular super-rotors, Nat Commun, 6 (2015) ; A.A. Milner, A. Korobenko, K. Rezaiezadeh, V.
Milner, From Gyroscopic to Thermal Motion: A Crossover in the Dynamics of Molecular Superrotors,
Phys. Rev. X, 5 (2015) 031041.
3] G. Karras, M. Ndong, E. Hertz, D. Sugny, F. Billard, B. Lavorel, O. Faucher, Polarization Shaping
for Unidirectional Rotational Motion of Molecules, Phys. Rev. Lett., 114 (2015) 103001.
[4] J. Houzet, E. Hertz, F. Billard, B. Lavorel, O. Faucher, Molecular alignment allows low-order
harmonic generation by circular light in a gas, Phys. Rev. A, 88 (2013) 023859.
[5] G. Karras, E. Hertz, F. Billard, B. Lavorel, J.M. Hartmann, O. Faucher, E. Gershnabel, Y. Prior,
I.S. Averbukh, Orientation and Alignment Echoes, Phys. Rev. Lett, 114 (2015) 153601

Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Expérimental et théorique
Connaissances requises particulières : Optique, Mécanique Quantique, Optique non-linéaire
Formation souhaitée de l'étudiant : Master PLM ou équivalent

PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois)
Orientation Recherche
Année universitaire 2015-2016
Titre : Relaxation d'ondes et turbulence optique dans les systèmes multimodaux
Responsable(s) : D. Sugny, A. Picozzi
Laboratoire : ICB
Collaborateurs : M. Guasoni (ICB), J. Fatome (ICB), H. Jauslin (ICB), J. Garnier (Un. Paris VII)
Lieu du stage : ICB
Description sommaire du sujet :
L'optique non-linéaire est un domaine prometteur de la physique tant du point de vue expérimental
avec les applications portant sur les fibres optiques et les télécommunications que du point de vue
théorique dans lequel la mécanique Hamiltonienne et la physique statistique trouvent un nouveau
champ d'applications. Le travail proposé s'inscrira dans ce cadre et portera sur des nouveaux
phénomènes d'auto-organisation dans des systèmes d'ondes non linéaires: d'une part le
phénomène d'attraction de polarisation et d'autre part le processus de thermalisation et de son
inhibition en turbulence optique.
Dans le premier cas, sous certaines conditions, la dynamique spatio-temporelle d'ondes cohérentes
se propageant de manière contra-propagative relaxe vers un état stationnaire où se produit un
échange de polarisation entre les deux ondes. Nous avons montré que ce phénomène était lié à la
présence de singularités dans le système Hamiltonien associé à l'état stationnaire [1,2]. Ce
mécanisme est à l'origine du phénomène d'attraction de polarisation qui a suscité un vif intérêt ces
dernières années [3]. En effet, contrairement aux polariseurs conventionnels, ce phénomène permet
de repolariser une onde optique sans perte d'énergie. Jusqu'à présent ce phénomène a été étudié
exclusivement dans le domaine temporel. Nous proposons d'étendre cet effet de relaxation au
domaine spatial en considérant la propagation de lumière dépolarisée dans un guide d'onde
multimode (fibre optique multimode).
Le processus de thermalisation d'ondes optiques incohérentes est généralement étudié par
différents formalismes de type thermodynamique hors-équilibre élaborés dans le cadre de la
turbulence développée [4]. Ces formalismes peuvent s'exprimer par des équations cinétiques
irréversibles qui vérifient un théorème H de croissance d'entropie, en analogie avec le théorème H
de Boltzmann en théorie cinétique des gaz. Des approches différentes révèlent cependant que le
phénomène de thermalisation peut-être inhibé par une réponse causale [5] ou bien par une
interaction à longue portée [6]. L'ensemble de ces formalismes ont été essentiellement développés
en considérant séparément la dynamique spatiale ou temporelle du champ turbulent, alors qu'une
formulation spatio-temporelle unifiée de ces approches doit encore être développée. Nous
commencerons par aborder cette problématique en considérant un cas simple de propagation
d'ondes optiques spatialement et temporellement incohérentes dans un guide d'onde multimode.
[1] Sugny, Picozzi, Lagrange, Jauslin, Phys. Rev. Lett. 103, 034102 (2009)
[2] Assemat, Picozzi, Jauslin, Sugny, J. Opt. Soc. Am. B 29, 559 (2012)
[3] Fatome et al., Scientific Reports 2, 938 (2012)
[4] Picozzi et al., Phys. Reports 542, 1-137 (2014)
[5] Garnier, Xu, Trillo, Picozzi, Phys. Rev. Lett. 111, 113902 (2013)
[6] Picozzi, Garnier, Phys. Rev. Lett. 107, 233901 (2011)
Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Théorique
Connaissances requises particulières et formation de l'étudiant : L’étudiant devra avoir un profil
de physicien avec une formation de base en optique non-linéaire, en mécanique et en physique
statistique. Des connaissances de base en simulation numérique seront également appréciées.

PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois)
Orientation Recherche
Année universitaire 2015-2016
Titre : Anomalie isotopique dans l’ozone stratosphérique
Responsable(s) : Pascal Honvault (bureau D 112A, téléphone : 03 80 39 59 44)
Laboratoire : ICB (équipe SMPCA, département ICQ)
Collaborateurs : -
Lieu du stage : ICB (Aile D), Dijon
Description sommaire du sujet :
Dans la stratosphère, la molécule d’ozone, O
3
, avec trois atomes
16
O est dominante par rapport à ses
variantes isotopiques qui contiennent un atome
17
O ou
18
O. Toutefois, un fort enrichissement en
17
O
ou
18
O (en comparaison avec ce qui se passe pour la molécule d’oxygène O
2
) d’environ 10 % a été
trouvé dans l'ozone stratosphérique voici plus de trente ans [1]. Une plus grande surprise encore vient
du fait qu’il est presque égal en
17
O et
18
O, malgré la très faible abondance de
17
O dans l’atmosphère
terrestre. Cet enrichissement a aussi été observé dans des expériences de laboratoire, peu de temps
après sa découverte dans l’atmosphère [2]. Depuis plusieurs expériences ont confirmé cet
enrichissement anormal de O
3
.
En raison de son importance dans la physico-chimie atmosphérique, de nombreuses études
expérimentales et théoriques ont été menées pour tenter d’expliquer cet effet anormal. Malgré tous
ces efforts, cette anomalie n’est toujours pas complètement élucidée à ce jour. Nous proposons par ce
stage une initiation à ce problème majeur aujourd’hui qu’est cet effet isotopique surprenant et
toujours incompris de l’ozone par rapport à l’oxygène. A cette fin, l’étudiant(e) sera amené(e) à
étudier théoriquement les collisions O + O
2
mettant en jeu l’ozone comme complexe intermédiaire de
réaction à l’aide de méthodes de dynamique quantique et classique implémentées numériquement
dans des codes en Fortran.
[1] K. Mauersberger, Geophys. Res. Lett. 8, 935 (1981).
[2] M. H. Thiemens and J. E. Heidenreich III, Science 219, 1073 (1983).
Caractère du sujet (expérimental/théorique) : théorique
Connaissances requises particulières : notions de physique quantique
Formation souhaitée de l'étudiant : -