proposition de stage m2 plm
publicité
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 MaxPlanck 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 - [email protected], tél. 03 80 39 59 84. 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, O3, avec trois atomes 16O est dominante par rapport à ses variantes isotopiques qui contiennent un atome 17O ou 18O. Toutefois, un fort enrichissement en 17O ou 18 O (en comparaison avec ce qui se passe pour la molécule d’oxygène O2) 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 17O et 18O, malgré la très faible abondance de 17O 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 O3. 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 + O2 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 : - PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Evaluation d’un système LIBS portable hautes performances Responsable(s) : Olivier Musset Laboratoire : ICB/SLCO Bureau : 220 Tél. :0380395938 E-mail :[email protected] Collaborateur(s) : Clément Roux (Doctorant) – Pierre-Alexandre Delattre (Post-doctorant) Lieu du stage : 2ième étage Aile de Physique Mirande Description sommaire du sujet : L’équipe SLCO, au travers de sa thématique développement laser, a mis au point ces dernières années un nombre important de sources lasers spécifiques en partenariat avec des industriels. Plusieurs de ces sources sont actuellement industrialisées par des sociétés françaises dans des domaines aussi variés que l’industrie, la chirurgie, la métrologie et la défense. Depuis quelques années les activités de développement se sont en partie recentrées sur la conception de sources lasers spécifiquement adaptées à la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS). Dans la continuité de ces travaux, le laboratoire a démarré, dans le cadre d'un projet DGA Rapid, le développement de deux nouvelles sources qui sont en cours de finalisation pour être intégrées dans deux nouveaux systèmes LIBS : une source complexe de très bonne qualité destinée à un système transportable de cartographie de surface et une source robuste simplifiée pour un système portable de type pistolet. L’étudiant(e) en stage aura pour mission de valider les performances de ces nouveaux dispositifs laser sur la base des premiers démonstrateurs construits au laboratoire. Les tests LIBS seront tout d'abord réalisés sur des matériaux simples (alliages métalliques par exemple) puis ils seront ensuite étendus à des échantillons complexes de type géologiques fournis par le laboratoire Biogéosciences. En plus du spectromètre compact classique de type Czerny-Turner, un spectromètre compact haute résolution de nouvelle génération (technologie SWIFT) fourni par la société Resolution Spectra Systems sera également évalué. Les performances analytiques seront aussi comparées à celles obtenues avec un spectromètre haute résolution de type Echelle disponible à l'ICB. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Expérimental Connaissances requises particulières : Optique -Laser Formation souhaitée de l'étudiant : Master PLM PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Année universitaire 2015-2016 Titre: Selective reflection of light from atomic vapor nanocells Responsable(s) : Claude LEROY Laboratoire : ICB, UMR CNRS Collaborateurs : Pr. Aram Papoyan, IPR, Ashtarak, Arménie Lieu du stage : ICB, UMR CNRS but possibility of a short scientific visit at IPR, Ashtarak Description sommaire du sujet: Peculiarities of interaction of laser radiation with atomic vapor in alkali metal nanocells are proven to provide new exciting possibilities in atomic spectroscopy and quantum optics. Besides fundamental interest, they carry significant applied importance for optical magnetometry, metrology, laser technologies, etc. Selective reflection of light from an interface of dielectric window and atomic vapor is shown to be a powerful spectroscopic tool, in particular for studies of interatomic and atom-surface interaction. Preliminary experiments on selective reflection using cesium and rubidium nanocells have demonstrated new and exciting behavior that significantly differs from the case of ordinary “bulk” cells. Nevertheless, it is difficult to treat the observed complex response because of involvement of several interconnected physical processes such as interplay of reflected and transmitted beams (Fabry-Pérot behavior), coherent Dicke narrowing, optical pumping, combined action of resonant absorptive and dispersive contributions. Proper studies of the abovementioned effects will be helpful for extension of nanocells’ applications in optical magnetometry, laser frequency stabilization, etc. The aim of the Master 2 Diploma work is to provide the calculations of interference effects forward and backward radiation beams occurring in an atomic vapor nanocell in the vicinity of Rb (Cs) hyperfine atomic transitions. The obtained results will constitute the basis for further complex studies of the problem. The theoretical studies in the frame of Diploma work will be supported by corresponding experiments, which will check the theoretical findings The comparison of the theory with the experimental results will be provided. Theory: The student will study the interference effects in propagation of forward and backward beams in a nanocell in the vicinity of isolated atomic resonance line, taking into consideration dispersive and absorptive properties of the vapor. Dependences of the reflected signal on the cell thickness and frequency detuning will be investigated. Experiment: A possible short scientific visit (~ 1 or 2 weeks) in the Laboratory of Optics of Pr. Aram Papoyan is feasible (IPR, Ashtarak, Armenia). This will be helpful for getting acquainted and better understanding of studied processes through direct involvement in experiment under the direction of Prof. Aram Papoyan. Caractère du sujet (expérimental/théorique): Theory + Computering Sciences. (But possibility of experiments.) Connaissances requises particulières: Atomic Spectroscopy, Quantum Optics. Notions of experiment with laser in spectroscopy. Formation souhaitée de l'étudiant: Master PLM. PROPOSITION DE STAGE M2 PLM Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Fibres composites en verres l’infrarouge d’oxyde de tellure pour l’optique non linéaire dans Responsable(s) : F. Smektala, [email protected], tel : 03 80 39 60 29 Encadrants : F. Désévédavy, JC. Jules, G. Gadret Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, ICB, UMR CNRS 6303, Resp. Laboratoire A. Dereux Coopérations : ANR Holigrale, ICMCB Bordeaux, SPCTS Limoges Lieu du stage : ICB - Dijon Description sommaire du sujet : Les fibres optiques microstructurées en verre hautement non linéaire, cas des verres à base d’oxyde de tellure (TeO2), permettent la génération d’effets non linéaires dans l’infrarouge aboutissant à un élargissement spectral important appelé surpercontinuum. Nous avons récemment mis en évidence la nécessité de modifier la géométrie de nos fibres afin d’améliorer leurs propriétés optiques non linéaires. Le sujet proposé consiste à participer au développement de fibres optiques innovantes pour la génération de sources large bande dans le moyen infrarouge. Il s’agit de mettre au point des compositions de verres adéquates pour l’obtention de fibres optiques multi matériaux possédant un profil opto-géométrique particulier (multiple saut d’indice) en verre à base d’oxyde de tellure. Dans un premier temps plusieurs verres seront synthétisés par fusion et trempe du bain fondu puis caractérisés thermiquement (DSC) et optiquement (spectrométrie FTIR, mesure d’indice). En parallèle, de manière à dégager de nouvelles compositions compatibles avec les objectifs un travail bibliographique sera mené. Les compositions retenues seront étirées à l’aide de la tour de fibrage dont nous disposons au laboratoire. Les compositions les mieux adaptées serviront à la réalisation de fibre double indice via la méthode barreau dans tube et « build-in casting ». Les fibres seront caractérisées au moyen de nos bancs d’optique linéaire et non linéaire. En plus de leurs caractérisations optiques, leur morphologie sera étudiée par microscopie optique et électronique (MEB). L’étudiant interviendra également dans l’étude de fibres verre/métal et verre/vitrocéramique sur lesquelles nous travaillons actuellement en vue d’application optoélectronique. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Expérimental Formation souhaitée de l'étudiant : Cursus Master Physique, Physique-Chimie, Chimie. Ouverture éventuelle vers un sujet de thèse, allocation Ministérielle. PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Interactions et dynamique quantique d’atomes en faible interaction Responsable(s) : Grégoire GUILLON Laboratoire : ICB Collaborateurs : Lieu du stage : ICB – Université de Bourgogne Description sommaire du sujet : La détermination précise des interactions de paires pour des atomes très faiblement liés (formant ce que l’on appelle des complexes de van der Waals) est une première étape cruciale, régissant la pertinence quantitative de toute étude dynamique postérieure. De telles études sont importantes pour la compréhension de la formation et du comportement superfluide d’agrégats d’hélium ou d’hydrogène moléculaire, par exemple. Aussi, certains paramètres dynamiques associés, comme la longueur de diffusion, sont importants lors de l’élaboration de modèles de gaz quantiques ultrafroids. Lors de ce stage, l’étudiant calculera, grâce à une méthode originale, très économique et facilement programmable, l’énergie potentielle d’interaction entre deux atomes très faiblement liés (typiquement, au moins l’un d’entre eux est un gaz rare). Il utilisera à cette fin quelques techniques analytiques dédiées au calcul de l’énergie d’échange, et notamment la méthode d’ « Intégrale de Surface » de Holstein-Herring-Smirnov. Il pourra comparer la courbe de potentiel obtenue avec celle calculée, dans l’approximation de BornOppenheimer, au moyen d’un traitement performant de la corrélation électronique à l’aide d’un logiciel commercial de chimie quantique (Molpro au Gaussian, par exemple). Si ses résultats lui donnent satisfaction, il pourra ensuite utiliser les potentiels obtenus en vue d’une étude dynamique, soit de la diffusion par un potentiel pour déterminer les sections efficaces et les taux de collisions, soit pour une simulation d’un agrégat d’atomes (bosoniques) identiques à l’aide de méthodes Monte Carlo quantiques. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : théorique Connaissances requises particulières : rudiments de programmation (Fortran, C++ ou Matlab) Formation souhaitée de l'étudiant : parcours physique ou chimie physique PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Control in non-linear quantum physics: Applications to Bose-Einstein condensates and analogies in non-linear optics Responsable(s) : S. Guérin Laboratoire : ICB Collaborateurs : H.-R. Jauslin, C. Leroy Lieu du stage : ICB Description sommaire du sujet : Recent applications, such as the formation of molecular Bose-Einstein condensates (BEC) from atomic BEC by photoassociation, can be treated by a non-linear Schrödinger equation derived from the quantum field theory. The basic tools of control developed in linear quantum physics, such as Rabi oscillation, adiabatic passage and tracking techniques, in particular the ones allowing a robust control [1], have to be formulated and extended to non-linear quantum physics. Even the simplest models lead to non-integrable dynamics. However, we have derived stable and efficient adiabatic solutions for the two-state problems from the classical formulation of the problem [2]. The goal of the internship consists in developing tools of robust control for such non-linear quantum problem. This will be applied in particular to the three-state problem modeling the photoassociation of atomic Bose-Einstein condensates (BEC) into BEC molecules by stimulated Raman non-linear adiabatic passage. Adiabatic techniques will be formulated in terms of a non-linear eigenvalue problem. Analogies in non-linear optics will be also investigated, in particular for models featuring the control of light propagation in coupled optical fibers. [1] D. Daems, D. Sugny, A. Ruschhaupt, and S. Guérin, Robust Quantum Control by a Single-Shot Shaped Pulse, Phys. Rev. Lett. 111, 050404 (2013). [2] S. Guérin, M. Gevorgyan, C. Leroy, H.R. Jauslin, and A. Ishkhanyan, Efficient adiabatic tracking of driven quantum nonlinear systems, Phys. Rev. A 88, 063622 (2013). Caractère du sujet (expérimental/théorique) : theoretical Connaissances requises particulières : Good knowledge in quantum mechanics Formation souhaitée de l'étudiant : PLM PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Etude et contrôle du processus d’isomérisation dans des molécules photochromiques Responsable(s) : E. Hertz, F. Billard Laboratoire : ICB (dept. OMR) Bureau: D214 Collaborateurs : B. Lavorel, O. Faucher Tél.: 03-80-39-59-94 Lieu du stage : Université de Bourgogne (Aile D de Physique, 2ème étage) Description sommaire du sujet : Les molécules photochromiques sont des molécules capables de se colorer de manière réversible sous excitation lumineuse. L’excitation provoque l’isomérisation de la molécule de sa forme initiale appelé A (pour simplifier) à une forme B dont le spectre d’absorption est différent. Ce projet vise d’une part à étudier la dynamique temporelle très rapide du passage entre les deux formes et d’autre part à contrôler le mécanisme d’isomérisation. L’excitation sera réalisée par une impulsion laser ultracourte dont la durée d’impulsion est d’environ 100 femtosecondes (1 fs=10-15 s). Nous avons sélectionné pour cette étude, une molécule appartenant à la famille « Spiropyran » appelé BIPS qui sera étudiée en phase liquide dans un solvant de faible polarité (Toluène). L’étude ainsi que le contrôle du passage entre la forme initiale « Spiropyran » et la forme colorée « Merocyanine » est un sujet d’intérêt tant fondamental qu’appliqué. D’un point de vue fondamental, le mécanisme de la transition entre les deux formes de couleurs différentes n’est pas clairement identifié et les données relatives à la topologie des surfaces de potentiels restent méconnues. D’un point de vue plus appliqué, les matériaux photochromiques sont considérés comme de sérieux candidats au développement de mémoires optiques 3D en raison du caractère rapide de la transition et de la robustesse de la forme colorée. Le stage consistera pour une part à conduire différentes études spectroscopiques systématiques sur le processus d’isomérisation (dynamique temporelle de passage d’une forme à l’autre, évolution du spectre d’absorption…). Une seconde partie sera dédiée au contrôle et à l’optimisation du transfert vers la forme colorée « Merocyanine » à travers différentes stratégies de contrôle telle que la mise en forme temporelle de l’impulsion laser. Le « façonnage » de l’impulsion sera réalisé via un dispositif de mise en forme basé sur l’utilisation d’un masque à cristaux liquides. La forme d’impulsion optimale pour le transfert vers la forme Merocyanine sera évaluée en couplant le dispositif de mise en forme à un algorithme d’évolution qui détermine la forme d’impulsion spécifique au résultat recherché par une procédure itérative. Suivant l’avancement du projet, d’autres stratégies de contrôle pourront être testées. Le projet comportera également le développement de nouveaux dispositifs comme un module de façonnage d’impulsions présentant une fonctionnalité dans le proche ultra-violet. Ce projet a reçu récemment l’appui de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR CoConicS prog. Blanc 2013) et fait l’objet de collaborations avec différents groupes pour les aspects théoriques. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Expérimental Connaissances requises particulières : Formation souhaitée de l'étudiant : Master 2 ou équivalent PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Experimental demonstration of an electrically driven non-volatile optical memory Responsable(s) : Benoit Cluzel, [email protected] Laboratoire : ICB – Axe Photonique Collaborateurs : Marlène Petit (ICB), Pierre Noé - CEA-Léti (Grenoble) Lieu du stage : Dijon Description sommaire du sujet : The chalcogenide materials used in Phase Change (PC), Chemical Bridge (CB) and Digital Versatile Disc (DVD) Random Access Memories (RAM) exhibit huge optical properties in terms of refractive index change, nonlinearities (at least two order of magnitude higher than silica fibers) and transparency windows (from visible to up to 20µm for Ge Te). Since they also benefit from a mature CMOS compatible technology, those materials are serious candidates for the future development of highly integrated non-volatile optical memories as well as non-linear optical sources integrated at the chip level. As shown recently in [Rios2015], non-volatile optical memories take benefits from the unprecedented refractive index change of PC materials associated to a crystallinity phase change in the near-field of a nanophotonic waveguide. For instance in GeTe thin films, this latter index change is up to 2 which enables a strong optical phase modulation with an extremely small footprint. As an illustration, Figure 1(a) from [Rudé2013] reports the use of a chalcogenide patch on a ring resonator to modulate its resonance thanks to the change of the refraction index of the patch with an external laser. Using the same approach, we fabricated at CEA Léti such silicon devices with PC patches connected to metallic electrodes to provide an electrical control of the optical resonances. The aim of this internship is to provide the experimental demonstration of an electrically driven non-volatile optical memory fully compatible with CMOS technologies. The student will have to develop at ICB an electrical microprobes Figure 1: Illustration of a GST patch used for experiment coupled to an existing setup dedicated to tuning the resonance wavelength of a silicon integrated nanophotonics. This experimental development will microring, from [Rudé2013] permit to test electrically the phase modulation of the patch of PC material and its near-field coupling to the ring resonances. Then, the student will quantify the modulation depth, speed and repeatability of the optical signal transmitted through the ring. He/she will evaluate the duration and stability of an optical bit storage. The experimental results will be compared to Finite Element Method simulations of the optical modes propagation. References: [Rios2015], C. Rios et al, Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory, Nature Phot.9, 725 (2015); [Rudé2013] M. Rudé et al, Optical switching at 1.55µm in silicon racetrack resonators using phase change materials, App. Phys. Lett. 103,141119 (2013) Caractère du sujet (expérimental/théorique) : Experimental Connaissances requises particulières : Optics, Photonics, Instrumentation Formation souhaitée de l'étudiant : PLM, NANO or PPN PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Laser à fibre optique à 2 microns Responsable : Philippe Grelu (Pr.) Laboratoire : ICB UMR 6303 CNRS Collaborateur : Aurélien Coillet (Dr.) Lieu du stage : Laboratoire ICB Description sommaire du sujet : Nous% souhaitons% développer% un% laser% à% fibre% dopée% thulium% dans% la% gamme% 1.9:2.3% microns,% fenêtre% spectrale% présentant% de% nombreuses% potentialités% applicatives%:% photonique% silicium,% génération% de% supercontinuum% dans% l’IR% moyen,%applications%en%spectroscopie,%télémétrie%LIDAR,%et%en%médecine.%% Afin%de%développer%un%laser%à%fibre%à%impulsions%ultracourtes,%nous%aborderons%la%problématique%du%blocage%de%modes,% via% différentes% stratégies%:% emploi% d’un% absorbant% saturable% matériel% (dispositif% à% semi:conducteurs% SESAM,% ou% graphene),%ou%absorbant%virtuel%employant%la%méthode%d’évolution%non%linéaire%de%la%polarisation,%qui%ne%nécessite%%de% matériau%spécifique%hormis%la%fibre%optique,%mais%impose%de%contrôler%précisément%la%biréfringence%de%la%cavité%fibrée.%% L’étudiant% sera% impliqué% dans% un% premier% temps% dans% la% simulation% numérique% de% la% propagation% intracavité% (logiciel% dédié%disponible,%puis%développement%de%parties%de%codes%sous%Matlab).%% Au%niveau%expérimental,%l’étudiant%participera%au%développement%d’un%amplificateur%optique%à%fibre%dopée%thulium,%à%la% validation% de% son% fonctionnement% en% cavité% laser% (intégration% d’un% ensemble% de% composants% d’optique% intégrée% et% fibrée),%puis%à%la%recherche%du%régime%impulsionnel%à%modes%bloqués.%% % % % % % Références : Ph. Grelu and N. Akhmediev, Dissipative Solitons for Mode-locked Lasers, Nature Photonics, Vol. 6, pp.84-92 (2012). Sorokina, I. T., Dvoyrin, V. V., Toltsik, N., and Sorokin, E. (2014). Mid-IR ultrashort pulsed fiber-based lasers, IEEE J. Select. Top. Quant. Electron. 20, 0903412. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : numérique (~ 50%) et expérimental (~ 50%) Connaissances requises particulières : optique guidée et non-linéaire (bases académiques) Matlab Formation souhaitée de l'étudiant : Master PLM ou équivalent par rapport aux prérequis PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Design of optical nanocomponents for hybrid fiber lasers Responsable(s) : Aurélien Coillet ([email protected]) Laboratoire : ICB Collaborateurs: Benoit Cluzel Lieu du stage : Groupe Optique de Champ Proche – ICB (DIJON) Description sommaire du sujet : The goal of this internship is to design optical nanocomponents to include in a fiber laser cavity. The fiber cavity will provide the optical gain and resonances needed for a laser, and the optical nanocomponent will provide additional functions such as pulse formation and shaping, spectral filtering, dispersion management, … We plan to focus on 2 specific structures: the first one is an array of coupled waveguides that interacts nonlinearly with each other, providing an effective saturable absorber function, which will allow for the generation of high-quality pulses in the fiber cavity. The second one is an on-chip resonator which will also be used in a nonlinear regime, to provide both a filtering and modelocking mechanism for the fiber cavity. The aim of the internships is therefore to find what structure will work best to obtain high-quality pulses in various regimes, and fine-tune the different parameters (choice of material, coupling strategy, waveguide geometry, ...) of the on-chip nanocomponent to obtain the best results. This will be achieved using numerical simulations of the propagation of an electromagnetic field in a nanometer-scale structure. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : numerics/theory Connaissances requises particulières : optics, numerical simulation Formation souhaitée de l'étudiant : Licence Physique Générale, Master PLM ou NANO PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Modélisation de l’absorption atmosphérique du tétrafluorure de carbone Responsable(s) : Vincent BOUDON Laboratoire : ICB, Dijon Collaborateurs : Maud ROTGER (GSMA, Reims), Olivier PIRALI (Synchrotron SOLEIL) Lieu du stage : ICB, Dijon + séjour prévu (5 jours) sur la ligne AILES du Synchrotron SOLEIL. Description sommaire du sujet : Le tétrafluorure de carbone, CF4, est un gaz à effet de serre très puissant et l’une des espèces ayant la plus longue durée de vie dans l’atmosphère terrestre (plus de 50 000 ans). Pour cette raison, CF4 est inclus dans le protocole de Kyoto comme espèce dont les émissions doivent être réduites. Si une petite partie est d’origine naturelle, l’essentiel des émissions de CF4 est d’origine humaine et provient des industries de l’aluminium et des semi-conducteurs. Il convient donc de pouvoir mesurer et suivre correctement la concentration de cette molécule dans l’atmosphère terrestre. C’est la bande d’absorption très intense ν3 qui est utilisée pour cela, autour de 7,8 μm de longueur d’onde. Il s’avère cependant que les données actuellement disponibles dans les bases de données spectroscopiques internationales sont insuffisantes pour une modélisation correcte de ce spectre d’absorption. En effet, seules 65 % des molécules se trouvent dans l’état vibrationnel de base à 300 K. 35 % du spectre est donc constitué de « bandes chaudes » (transitions partant d’un niveau vibrationnel excité), qui n’ont encore jamais été modélisées. Le travail de stage de M2 vise à produire un modèle reproduisant le spectre des principales bandes chaudes, comme par exemple ν3+ ν2– ν2, qui impliquent différents niveaux vibrationnels excités. Pour cela, nous aurons à notre disposition différents spectres enregistrés en 2015 au laboratoire GSMA à Reims, à l’aide d’un spectromètre par Transformée de Fourier la bande, ainsi que d’autres spectres en cellule et en jet moléculaire supersonique enregistrés précédemment sur la ligne AILES du Synchrotron SOLEIL. Une expérience complémentaire sera réalisée au printemps 2016 sur ce même équipement, cette fois à l’aide du rayonnement synchrotron cohérent, afin d’étudier la partie infrarouge très lointain de ce spectre, pour préciser la structure rotationnelle. Après analyse raie-par-raie du spectre de différentes bandes fondamentales et de combinaison, il alors possible de produire une prédiction fiable des bandes chaudes de la région ν3 de forte absorption atmosphérique L’analyse et les simulations de spectres, ainsi que le production de la liste de raies finale seront réalisées à Dijon, à l’aide des logiciels XTDS et SPVIEW, développés au sein de l’équipe SMPCA. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : théorique avec participation à une expérience Connaissances requises particulières : Bases en physique quantique et moléculaire Formation souhaitée de l'étudiant : Master PLM PROPOSITION DE STAGE M2 PLM (5 mois) Orientation Recherche Année universitaire 2015-2016 Titre : Simulation numérique des propriétés optiques de métamatériaux de permittivité nulle. Responsable(s) : Olivier Demichel ([email protected]) Laboratoire : ICB Collaborateurs: B. Cluzel Lieu du stage : Groupe Optique de Champ Proche – ICB (DIJON) Description sommaire du sujet : Le siècle dernier a démontré que la connaissance et la gestion des interactions lumière-matière sont essentielles à l'émergence de concepts et de dispositifs optiques innovants. Une preuve les plus évidente étant la découverte de l'effet laser en 1960 qui a révolutionné un nombre quasi illimité de domaines tels que les télécommunications, la détection ou encore la chirurgie san parler de la recherche fondamentale. La permittivité εr des matériaux est le paramètre clé qui régit ces interactions lumière-matière. Elle permet notamment de classifier les matériaux, et l'ingénierie de la distribution spatiale de εr cpermet l'émegence de nouveau composant en photonique. Par exemple, l'arrangement périodique de matériaux diélectrique (εr>1) a mené au domaine bien établi des cristaux photoniques. Les métaux de leurs côtés ont une permittivité négative, donnant naissance au latge domaine de la plasmonique qui confine notamment le champ sur des domaines sub-longueur d'onde. Depuis le début des années 2000, l'essor des techniques de nanofabrication et de structuration de la matière à l'échelle sub-longueur d'onde ont permis d'accèder à une nouvelle classe de matériaux dont la constante diélectrique est proche de zéro. Ces métamatériaux ont des propriétés très excitantes comme une absorption parfaite (Feng et al, PRB 2012), il permettent également de courber la lumière (Luo et al, APL 2012) ou offrent des propriétes de supercouplage (Silveirinha et al, PRL 2006). Une autre gamme d'applications concerne la mise en forme de front d'onde et le contrôle du diagramme d'émission (Alu et al, PRB 2007). Cependant ces phénomènes sont extrêmement limités par le fort désaccord d'impédance lié à une modification brutale de εr, cet aspect reste peu discuté dans la littérature. Dans ce cadre, le stage proposé sera centré sur la mise en place d'outils numériques et théoriques permettant de modéliser le conmportement optique de ces métamatériaux de constante diélectrique nulle. En particulier, l'étudiant s'intéressera au contrôle de l'émission dipolaire ainsi qu'à la gestion de fronts d'onde en fonction de la géométrie de ces domaines de permittivité nulle. Dans un second temps, la gestion de la distribution spatiale de εr sera explorée en vue d'optimiser l'efficacité des concepts explorés grâce à un meilleur contrôle de l'adaptation d'impédance. Les enjeux de ce stage seront notamment de montrer que la géométrie d'un domaine de permittivité nulle gouverne la forme des fronts d'onde et que la distribution spatialle de la permittivité permet d'optimiser la puissance transmise à travers un domaine de permittivité nulle. Caractère du sujet (expérimental/théorique) : numérique/théorique Connaissances requises particulières : optique, modélisation numérique Formation souhaitée de l'étudiant : Licence Physique Générale, Master PLM ou NANO Fiche de stage longue durée Titre du stage : Modélisation de l’endommagement d’une structure composite aéronautique soumise à une agression de type laser Haute Energie. Contexte : Le CEA/Gramat est chargé d’étudier la vulnérabilité d’aéronefs légers face à des menaces de type laser Haute Energie (HE). Ce stage concerne un des principaux modes d’agression qui résulte d’une forte élévation de la température locale après l’irradiation HE, sur les structures composites constituant les cibles (fuselage, ailes, …). Une température locale très élevée peut provoquer l’endommagement des structures et la diminution de leur résistance mécanique. Dans le cadre de ce programme d’étude, les travaux du CEA/Gramat allient à la fois le développement de modèles avec la réalisation d’expérimentations pour améliorer notamment la compréhension des mécanismes d’endommagement des composites et évaluer l’influence des différentes propriétés et paramètres. Le développement du modèle d’interaction laser/composite qui fait l’objet de ce stage, s’inscrit dans un outil d’analyse de vulnérabilité face à la menace considérée, qui constitue la finalité de ce programme d’étude. Objectif du stage et déroulement des travaux : Le stagiaire sera intégré à l’équipe de travail en charge de la modélisation. Après l’imprégnation du sujet d’étude, son rôle sera de contribuer à la description des mécanismes (mise en équations), de proposer les algorithmes de résolution adaptés et de poursuivre l’écriture du code de calcul. Il sera nécessaire de prendre en compte les spécificités liées aux matériaux composites (absorption du rayonnement, mécanismes de dégradation thermique, hétérogénéité de la microstructure, …), les conditions aux limites conformes aux hypothèses choisies, ainsi que la dépendance des propriétés des constituants du composite avec la température. Pour complexifier la résolution progressivement, le modèle sera développé dans un premier temps en considérant une seule direction (modélisation 1D), qui correspond à l’épaisseur du matériau. Puis en fonction de l’avancement, un modèle 3D pourrait être réalisé sur la base d’un outil de calcul déjà développé au CEA/Gramat. Les résultats du modèle seront comparés avec les données expérimentales. Cela permettra d’identifier les propriétés matériaux qui sont difficiles à caractériser, d’identifier les hypothèses trop faibles dans le but d’améliorer la restitution de l’expérimentation et de proposer des solutions d’enrichissement du modèle. Domaine de spécialité requis : Sciences Physiques (thermique), ou Mathématiques appliquées, programmation scientifique Ecole ou université « cible » : bac+5 ou bac+4, master ou école d’ingénieur Autres domaines de spécialités, mots clés : des connaissances en calculs par Eléments Finis seraient appréciées. Moyens informatiques mis en œuvre (langages, logiciels) : Fortran, Python ou Matlab, outil ILM3D (CEA/Gramat) Durée du stage : 6 mois, à partir de février ou mars 2016 Laboratoire CEA Gramat : Laboratoire Létalité des Armes Point de contact scientifique : A. Coradi Téléphone : 05 65 10 54 32 - courriel : [email protected] CEA DAM GRAMAT Adresse : BP 80200 – 46500 Gramat 1/1
