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Curriculum vitae

Albert Le Floch
Professeur université de Rennes 1
(University of Rennes 1 – France)
Laboratoire d'électonique quantique et Chiralités
20 square Marcel Bouget - Résistant
35700 Rennes-France

 PhD 1977: University of Rennes 1 – France

“Spatial vectorial model for anisotropic lasers. Experimental verifications in a Zeeman laser. Some applications.”

Examiners: Professors A. Kastler, J.C. Lehmann, M. Dumont, B. Decomps, S. Liberman, P. Brun, R. Le Naour

Coauthor of about 200 papers and patents.

He received the Aimé Cotton Prize from the French Society of Physics in 1982.

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30 selected papers

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1- Frequency stabilization of a gas laser using the magnetic Lamb-dip.
A. Le Floch, P. Frère, P. Brun
Applied Physics Letters, 17, 40-42, 1970
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2- Polarization effects in Zeeman lasers with x-y type loss anisotropies.
A. Le Floch, R. Le Naour
Physical Review A, 4, 290-295, 1971
link 

3- Analysis of the Lamb-dip structure with a linear and helicoidal polarizations.
A. Le Floch, R. Le Naour, G. Stéphan
Physical Review Letters, 39, 1611-1614, 1977
link

4- Nonlinear frequency-dependent diffraction effect in intracavity resonance asymmetries.
A. Le Floch, R. Le Naour, J.M. Lenormand, J.P. Taché
Physical Review Letters, 45, 544-547, 1980
link

5- Eigenvectors flipping spectroscopy.
A. Le Floch, J.M. Lenormand and R. Le Naour
Appl. Phys. XIIth Intern. QEC, B28, 2/3, 303-304, 1982

6- Two fold critical geometry for lasers.
A. Le Floch, J.M. Lenormand, R. Le Naour, G. Ropars
Optics Letters, 9, 11, 496-498, 1984
link

7- Dynamics of lasers eigenstates.
A. Le Floch, G. Ropars, J.M. Lenormand and R. Le Naour
Physical Review Letters, 52, 918-921, 1984
link

8- Energy exchanges between a rotating retardation plate and a laser beam.
F. Bretenaker and A. Le Floch
Physical Review Letters, 65, 2316, 1990
link 

9- Early cosmic background.
A. Le Floch and F. Bretenaker
Nature, 352, 198, 1991
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10- Direct measurement of the optical Goos-Hänchen effect in lasers.
F. Bretenaker, A. Le Floch, L. Dutriaux
Physical Review Letters, 68, 931-933, 1992
link

11- Mean-field laser magnetometry.
F. Bretenaker, B. Lépine, J.C. Cotteverte and A. Le Floch
Physical Review Letters, 69, 909-912, 1992
link 

12- Reverse Sagnac effect.
F. Bretenaker, J.P. Taché and A. Le Floch
Europhys. Letters, 21, (3), 291-297, 1993

link

13- Angular momentum transfer between quantum oscillators.
J.C. Cotteverte, G. Ropars, M. Brunel, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 74, 1966-1969 (1995).
link

14- Measurement of the nonlinear Goos-Hänchen effect for Gaussian optical beams.
O. Emile, T. Galstian, A. Le Floch, F. Bretenaker.
Physical Review Letters, 75, 1511-1513 (1995).
link

15- Rotating polarization-induced resonances in atoms and molecules.
O. Emile, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 75, 1907-1910 (1995).
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16- Observation expérimentale de la réduction des pertes d'un laser grâce à la diffraction.
F. Bretenaker, A. Le Floch.
Comptes Rendus Académie des Sciences, 321, (Série IIb), 97-101 (1995).
link

17- Direct measurement of the Wigner delay associated with the Goos-Hänchen effect.
D. Chauvat, O. Emile, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 84, (1), 71-74 (2000).
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18- Rabi-Lorentzian profile of an atomic resonance obtained with Gaussian beams.
H. Gilles, B. Chéron, O. Emile, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 86, 1175-1178 (2001).
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19- Quelques propriétés optiques du laser tunnel.
A. Le Floch, L. Dutriaux, F. Bretenaker.
Comptes Rendus Académie des Sciences, 1, (Série IV - 5), 639-645 (2000).
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20- Stochastic resonances in an optical two-order parameter vectorial system.
K.P. Singh, G. Ropars, M. Brunel, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 87, 213901 (2001).
link 

21- Observation of magneto-chiral birefringence.
M. Vallet, R. Gosh, A. Le Floch, T. Ruchon, F. Bretenaker, J.Y. Thépot.
Physical Review Letters, 87, 183003 (2001).
link 

22- Jamin Fabry-Perot interferometer.
D. Chauvat, C. Bonnet, A. Durand, M. Vallet, A. Le Floch.
Optics Letters, 28, (2), 126 (2003).
link

23- Lever-assisted two-noise stochastic resonance.
K.P. Singh, G. Ropars, M. Brunel, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 90, 073901 (2003).
link

24- Experimental evidence of magnetochiral interaction in Pasteur's tartrates.
T. Ruchon, M. Vallet, J.Y. Thépot, A. Le Floch, R.W. Boyd.
Comptes Rendus Physique, 5, 273-277 (2004).
link

25- Nonequivalence of Spatial Shifts and Wigner Delays at Interfaces.
C. Bonnet, D. Chauvat, O. Emile, A. Le Floch.
Physical Review Letters, 93, (9), 093902 (2004).
link

26- The dual stochastic response of nonlinear systems.
G. Ropars, K.P. Singh, M. Brunel, F. Dore, A. Le Floch.
Europhysics Letters, 68, (6), 755-761 (2004).
link

27- Timing the total reflection of light.
D. Chauvat, C. Bonnet, K. Dunseath, O. Emile, A. Le Floch.
Physics Letters A, 336, (4-5), 271-273 (2005).
link

28- Shape memory in spider draglines.
O. Emile, A. Le Floch, F. Vollrath.
Nature, 440, 621 (2006).
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29- Magic angle detection of nonlinear Newton-Wigner times at interfaces.
G. Loas, C. Bonnet, K. Dunseath, D. Chauvat, O. Emile, A. Le Floch.
Europhysics Letters, 77, (6), 64003 (2007).
link

30- Time-Resolved Torsional Relaxation of Spider Draglines by an Optical Technique.
O. Emile, A. Le Floch, F. Vollrath.
Physical Review Letters, 98, 167402 (2007).
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During the last 15 years his young collaborators have received different prizes and distinctions:

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Bannière EspaceScience

IBM Young Researcher’s prize: F. Bretenaker, 1992.  link

LES GYROLASERS : UNE AFFAIRE QUI TOURNE

Fi des vieux gyroscopes, lourds et complexes, qui assuraient la navigation et le guidage des engins aériens, avions, missiles ou fusées. En s'offrant les services de Fabien Bretenaker, jeune chercheur à Rennes, la SAGEM est passée maître dans l'art des gyrolasers, les lasers qui tournent.

                   FB1

A Paris le 9 novembre dernier, Fabien Bretenaker a reçu le prix IBM jeune chercheur en physique, des mains de Daniel Kaplan, Président de la Société française de physique.

Pour une grande entreprise comme la SAGEM(1), avoir un pied dans le monde de la recherche est la garantie d'une production sans cesse innovante, toujours à la pointe de la technologie. Grâce à un co-financement par une bourse CIFRE(2), le jeune Lorrain Fabien Bretenaker a été recruté par la SAGEM en 1988. Il passe son DEA "Lasers et matière" à Paris en 1989, puis intègre à Rennes le laboratoire de spectroscopie du solide et d'électronique quantique-Physique des lasers, une unité de recherche du CNRS dirigée par le professeur Albert Le Floc'h. Sa première découverte est l'effet Sagnac inverse, qui a fait l'objet de sa thèse soutenue en juin 1992. Mais avant d'expliquer l'effet Sagnac, il faut d'abord décrire le laser en anneau, ou gyrolaser.

LES LASERS EN ANNEAU

Par rapport au laser classique, un gyrolaser circule non plus entre deux, mais trois miroirs disposés en triangle, d'où son déplacement rotatif et non plus rectiligne. L'effet Sagnac, observé la première fois en 1913 avec de la lumière ordinaire (les lasers n'ont été inventés qu'en 1960), indique que la rotation du laser s'effectue dans les deux sens, avec un léger décalage de fréquence entre les deux faisceaux. Ce décalage, ou battement, étant exactement proportionnel à la vitesse de rotation du laser, sa mesure précise est d'extrême importance pour l'utilisation des gyrolasers équipant les véhicules de l'aéronautique, civile et militaire. Le problème sur lequel a travaillé Fabien Bretenaker concerne les faibles vitesses, où le décalage de fréquence ne peut plus être mesuré précisément. Ces vitesses non mesurables constituent la zone aveugle : une image de ce phénomène peut être représentée par deux grosses horloges posées l'une près de l'autre sur une table transmettant les vibrations : au bout d'un moment, les battements des deux horloges se confondront, par synchronisation. C'est ce qui se passe quand la vitesse du gyrolaser est faible : les fréquences des deux ondes se synchronisent.

UNE RECONNAISSANCE NATIONALE

Les travaux de Fabien Bretenaker lui ont valu de recevoir récemment le Prix IBM Jeune chercheur en physique, en présence de François Fillon, Ministre de l'enseignement supérieur et de la recherche. Deux mois plus tôt, à Limoges, la Société française d'optique lui décernait le Prix Fabry-De Gramont, pour avoir mis au point un magnétomètre laser, plus précis et moins sensible aux perturbations électro-magnétiques que le magnétomètre à protons couramment utilisé pour mesurer des champs magnétiques. Deux découvertes, deux prix. Fabien Bretenaker n'a pas l'intention de s'endormir sur ses premiers lauriers : "Grâce à mon double statut de chercheur à l'université de Rennes et d'ingénieur à la SAGEM, et au prix de nombreux aller-retour Rennes-Paris, je mène la vie rêvée par tous les jeunes chercheurs. Je travaille au sein d'une équipe dynamique et motivée, tout en accompagnant les résultats de mes travaux jusqu'à leur industrialisation."En plus de ses qualités de chercheur, Fabien Bretenaker a celle de ne pas être ingrat : il remercie tous ceux qui le soutiennent : d'abord la SAGEM, le CNRS et l'Université de Rennes 1, en particulier ses collègues de chimie, le laboratoire de Jacques Lucas qui produit d'excellents verres pour les lasers, l'ANRT, la DRET, le FIRTECH(3) et le Conseil régional de Bretagne. "Je souhaite à d'autres jeunes chercheurs de talent d'être aussi bien reçus que je l'ai été en Bretagne."

Notes :

(1) La société SAGEM, dont le siège se situe dans la région parisienne, emploie 6 000 personnes et couvre trois secteurs d'activité : navigation et défense, où travaille Fabien Bretenaker, électronique industrielle (principalement automobile) et télé-communications. Ce dernier secteur comprend, par exemple, l'usine de télécopieurs à Fougères.
(2) CIFRE : dans le cadre de la formation par la recherche, convention avec le Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche, par l'intermédiaire des délégations régionales (DRRT), qui permet à une entreprise de recruter pour moitié prix un ingénieur en cours de thèse.
(3) ANRT : Association nationale pour la recherche et la technologie, dépendant du Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche ;
DRET : Direction des recherches, études et techniques, dépendant du Ministère de la défense ;
FIRTECH : Formation des ingénieurs par la recherche technologique.

Des lasers pour tout faire
Les lasers débouchent sur quantité d'applications : citons par exemple les lasers médicaux qui permettent de micro-interventions chirurgicales à l'intérieur du corps humain. L'endoscope laser comprend trois fibres, trois faisceaux : l'un pour voir, l'autre pour transmettre l'image et le troisième pour couper, détruire, brûler, etc. Un autre domaine d'applications est la métrologie : le laser permet de détecter et de mesurer la plupart des propriétés physiques. Il sert, par exemple, d'outil pour la pyrométrie (mesure des hautes températures).

LASER : le rayon
Un laser est un oscillateur optique amplifié, caractérisé par une fréquence : c'est un rayon lumineux qui rebondit d'un miroir à l'autre en traversant un milieu amplificateur, gaz fluorescent ou fibre optique dopée. Dans les deux cas, le passage de l'onde lumineuse excite des électrons qui réagissent en émettant de l'énergie récupérée par le rayon laser. La déperdition au travers des miroirs fait que cette amplification est limitée et se stabilise au bout d'un certain temps.

DEA d'optronique
Lannion : un Diplôme d'études appliquées "Optronique" s'est mis en place en octobre 91, associant cinq établissements de formation supérieure : l'Université de Rennes 1 (ENSSAT), l'Université de Bretagne occidentale, l'INSA de Rennes, l'Ecole supérieure des télécommunications Télécom Bretagne, et l'ENIB, l'Ecole nationale des ingénieurs de Brest.
Ce DEA accueille 30 étudiants.

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Fabry De Grammont Prize from the French Optical Society: F. Bretenaker, 1993link

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Brittany Young Researcher’s Prize: J. C. Cotteverte, 1996.   link

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le laser : une boussole optique ?

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Jean-Charles Cotteverte

Jean-Charles Cotteverte est primé pour ses travaux innovants sur l'instabilité de polarisation dans les lasers, réalisés sous la direction d'Albert Le Floch, au Laboratoire de physique des lasers de l'université de Rennes 1. "Ces résultats sont ceux d'une équipe", souligne d'emblée le chercheur. Reprenant l'expérience de la boussole (vecteur magnétique) placée dans un champ magnétique tournant qui tente de s'orienter sur ce champ, l'équipe a démontré que la vitesse de rotation du vecteur lumineux d'un laser est, elle, proportionnelle à la valeur du champ magnétique. De là est né, avec la Sagem, un magnétomètre... breveté. Le groupe Géosciences de Rennes peut ainsi mesurer la valeur du champ magnétique mémorisé dans des laves.
Ce jeune chercheur s'est également intéressé aux effets de l'injection d'un laser-maître (de faible puissance) dans un laser-esclave (de forte puissance), méthode utilisée pour stabiliser la fréquence de ce dernier. Sortant des sentiers battus, il a démontré le transfert de la polarisation et du moment cinétique du laser-maître vers le laser-esclave dans certaines conditions. De plus, contrairement aux méthodes classiques, il est possible d'obtenir une phase stable entre les 2 lasers. Ceci pourrait être intéressant pour le projet européen Virgo(2).
Depuis juillet 96, Jean-Charles Cotteverte est ingénieur de recherche à Corning S.A. à Avon (77), leader américain dans le domaine des fibres optiques, des verres et céramiques. Du laser à l'hologramme, il travaille sur la mise au point de nouveaux composants optiques.                                                                                                                                  P.H.

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(D.R)
Le magnétomètre mis au point au Laboratoire physique des lasers de Rennes avec la collaboration de la Sagem.

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Bronze medal from the Centre National de la Recherche Scientifique: F Bretenaker, 1997.

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Le plaisir de chercher en équipe

Fabien Breteneker, chargé de recherche au CNRS    li

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Fabien-Bretenaker-Rennes.jpg

" D'aussi loin que je me souvienne, j'ai toujours voulu faire de la recherche. Je ne me rappelle aucune anecdote qui aurait pu m'orienter sur cette voie. Ce besoin de chercher n'est pas relatif à la notion d'emploi, je ne peux simplement pas m'en passer.

" Fabien Bretenaker, chargé de recherche à l'UMR Palms(1) de l'université de Rennes 1, casse par son humour et son contact facile l'image stéréotypée du chercheur solitaire. Le travail de ce jeune scientifique se situe à mi-chemin de la recherche et de l'industrie.

Né à Metz en 1966, Fabien Bretenaker entre à l'Ecole Polytechnique en 1985, puis s'oriente en 1988 vers un DEA Lasers et Matières, pour lequel il obtient une bourse Cifre(2) au bénéfice de la Sagem (3). " A l'époque, je me suis dirigé vers la recherche relative aux lasers par intérêt personnel, mais également parce que je voulais par la suite mener une thèse en collaborant avec des industriels", explique Fabien Bretenaker. "La recherche sur les lasers permet, en plus de son aspect fondamental, d'obtenir des applications rapides tout en offrant une certaine autonomie". Pendant cette formation, il effectue un stage de trois mois au sein du Laboratoire central de recherche de Thomson-CSF, qui lui permettra de s'initier à la recherche et aux publications dans des revues internationales.

Son DEA en poche, il quitte Paris pour intégrer l'UMR Palms à Rennes afin de préparer une thèse sur la dynamique des états propres dans les lasers en anneau. Depuis cette année 1989, il travaille dans l'équipe dirigée par le professeur Albert Le Floch. "Je suis heureux de m'être installé à Rennes. Si j'aime la ville en elle-même, j'ai beaucoup apprécié l'accueil qui m'a été réservé en tant que chercheur. Je me sens particulièrement à l'aise au sein de petites équipes telles que celle-ci, où la synergie entre collègues est, avec le doute scientifique, le principal moteur de recherche. Nous nous retrouvons tous en fin d'après-midi autour d'une tasse de thé afin de nous assassiner réciproquement. Scientifiquement parlant, bien sûr !" précise t-il avec un sourire. "Cette remise en cause mutuelle est le meilleur moyen d'avancer dans nos études. Et cela se fait généralement avec le sourire. " Cette équipe soudée et solidaire mène des études de physique fondamentale et appliquée sur les lasers, et développe des applications dans les domaines des télécommunications, des senseurs et de la physique atomique. Fabien Bretenaker dépose son premier brevet en 1990 en compagnie d'Albert Le Floch. En 1992, sa soutenance de thèse, portant sur la physique des gyrolasers, est un succès.

Les palmes du laser

Le jeune scientifique est alors nommé ingénieur de recherche par la Sagem, et partage son temps entre Rennes et Argenteuil. Sa participation à la mise au point d'un magnétomètre laser et des lasers à plusieurs axes de propagation lui permettent d'obtenir le prix Fabry de Gramont (4) en septembre 1994. Deux mois plus tard, il obtient le prix IBM Jeune Chercheur pour ses travaux sur les gyromètres lasers en anneau, qui équipent les véhicules de l'aéronautique civile et militaire. Fabien Bretenaker est-il fier de ces récompenses ? " J'en suis fier pour le laboratoire ! J'ai juste été la personne que l'on a expédiée aux réceptions pour recevoir les prix. Mais ces résultats sont l'œuvre d'une équipe, pas d'un seul homme ! Pour être honnête, ce qui m'enchante lorsque quelqu'un de mon équipe reçoit un prix ou obtient une promotion, c'est la fête qui s'ensuit. "

Nommé Chargé de recherche de première classe au CNRS en octobre 1994, Fabien Bretenaker est un homme de science très occupé. Une partie de son temps est consacrée à des études de recherche fondamentale et appliquée en physique des lasers, en optique et en physique atomique. Il mène parallèlement à ces travaux des actions beaucoup plus concrètes : gestion de programmes de recherche, encadrement de jeunes chercheurs, intervention au sein d'entreprises au titre de consultant…Ce travail a une nouvelle fois été récompensé avec l'attribution de la médaille de bronze du CNRS (5).

Cette activité débordante n'empêche pas Fabien Bretenaker de s'enthousiasmer pour un projet ambitieux, développé au sein de l'UMR Palms. Il s'agit du Centre lasers et applications à la chimie (Clac), une structure pluridisciplinaire actuellement en cours de construction sur le campus de Beaulieu. Ce projet permettra de fédérer des chercheurs d'horizons divers autour de nombreuses applications, et sera accessible à tous les scientifiques dont les recherches nécessitent l'utilisation des lasers : chimistes, géologues, physiciens… "Nous attendons beaucoup de cette structure. En effet, le tissu industriel dans le domaine des technologies a besoin d'être développé aux alentours de Rennes, ce qui motiverait encore plus le travail de notre laboratoire. Le Centre laser nous offrira de meilleures conditions pour la recherche et l'application, c'est sûr ! Mais j'espère qu'il contribuera également à dynamiser le paysage techno-industriel dans notre région. "

W.J.

Notes :       

(1) Physique des atomes, lasers, molécules et surfaces
(2) Convention proposée par le ministère de l'éducation national, de la recherche et de la technologie, qui permet à une entreprise de recruter un jeune ingénieur en finançant la thèse de ce dernier.
(3) Sagem : cette société a trois domaines d'activité : navigation et défense, électronique industrielle et télécommunications.
(4) Prix décerné chaque année par la Société française d'optique.
(5) Ces récompenses signifient que le lauréat est devenu spécialiste d'un domaine scientifique. Le CNRS en décerne une douzaine chaque année

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Brittany Young Researcher’s Prize: M. Brunel, 1999.   link

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Télécommunications optiques : un nouveau pas en avant grâce
aux lasers bifréquences

 

             Marc-Brunel.jpg

En l'absence de Marc Brunel, actuellement en congrès aux Etats-Unis, son directeur de thèse Albert Le Floc'h (1), a la lourde charge d'expliquer ce que sont les lasers "bi-fréquences", sujet de la thèse de Marc. "Les lasers ne comportent généralement qu'un seul faisceau, se propageant entre deux miroirs parallèles. La nouvelle génération de lasers à plusieurs axes de propagation permet non seulement d'émettre ensemble plusieurs ondes de fréquences différentes, mais aussi d'atteindre des battements de fréquences très élevés : de l'ordre du Téraherz, soit mille milliards de Herz."

"Nous sommes très surpris par l'intérêt que les industriels portent à nos travaux", sourit Albert Le Floc'h, pourtant habitué aux honneurs puisqu'en 3 ans, c'est la 5e fois que son équipe est distinguée par un Prix. Aujourd'hui maître de conférences, Marc Brunel est donc bien à sa place dans ce laboratoire aux vastes projets : ouverture prochainement d'un Centre "laser et application à la chimie", création d'un pôle de compétences "Optique et télécoms", en lien avec les entreprises de la technopole de Rennes Atalante...

               Laser-bi-frequence-Rennes.jpg

Récemment, la RATP s'est manifestée pour étudier la possibilité d'installer, le long des voies du métro, un câble optique pour véhiculer ce laser bi-fréquence et permettre ainsi à ses usagers d'utiliser leur téléphone portable pendant leurs trajets. Autre application : les "lidars", sortes de radars capables de détecter la présence de molécules gazeuses dans l'atmosphère, ou encore les réseaux locaux d'entreprise, avec la collaboration de France Télécom. Enfin, dans un futur proche, les lasers bi-fréquences pourraient permettre aux automobilistes de détecter les obstacles sur les routes.

H.T.

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Fresnel Prize, European Physical Society: F. Bretenaker, 2001.

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Brittany Young Researcher’s Prize: C. Bonnet, 2005. 

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Christophe Bonnet a mesuré le temps passé par la lumière sur une surface   link

Optique : un doctorant répond à une question de Newton

Avant de rebondir sur une surface, la lumière... marque une pause. Newton avait pressenti ce phénomène. Christophe Bonnet vient de le mettre en évidence, de manière expérimentale, au laboratoire de physique des lasers, à l'Université de Rennes 1. Ce temps de pause est enfin mesuré !

Christophe-Bonnet.jpg
Christophe Bonnet dans le laboratoire d'où nous avions du mal à le faire sortir »,
selon son directeur de thèse Olivier Emile.

C'était une vieille question, à laquelle vient de répondre un jeune doctorant. En 1704, en observant le jeu de la lumière à travers des prismes, Newton observe un phénomène inattendu. Dans les conditions de réflexion totale, la lumière sort du verre à sa surface, avant de se réfléchir un peu plus tard vers l'intérieur du prisme. La loi de la réflexion de Descartes n'est donc pas toujours un phénomène instantané ! Il existe en effet un « délai de Wigner », du nom du prix Nobel de physique hongrois, qui l'a formalisé dans sa théorie de la diffusion en 1955. Mais ce temps, estimé à quelques femtosecondes (10-15 s), était impossible à mesurer avec les sources lumineuses de l'époque !  

 « Personne ne l'avait fait »  

Aujourd'hui, certains lasers permettent l'émission de bouffées de lumières très brèves, de l'ordre de 100 femtosecondes. Le délai de Newton-Wigner peut enfin devenir observable ! Il suffit de placer un détecteur sur l'onde réfléchie pour mesurer le décalage temporel. Mais ce n'est pas si simple. « En positionnant le détecteur comme d'habitude, perpendiculairement à l'onde réfléchie, il y a  une compensation automatique du délai, explique Christophe Bonnet, qui a soutenu sa thèse au laboratoire de physique des lasers[1], en septembre dernier (voir schéma). C'est une conséquence de la loi de propagation de la lumière. Nous avons alors eu l'idée de placer le détecteur parallèlement à la surface où se produit la réflexion totale ». Et le temps passé le long de l'interface est enfin connu. C'est tout simple ! « Personne ne l'avait fait », précise Olivier Emile, le directeur de thèse.  
Et curieusement, ce n'est pas un délai de Wigner qui a été mesuré grâce à ce procédé, mais deux ! Ce délai dépend en effet de la polarisation de l'onde lumineuse incidente, c'est-à-dire de la direction dans laquelle elle oscille, horizontale ou verticale. Des délais de 30 et de 60 femtosecondes ont été mesurés. « Dans les deux cas, plus on se rapproche d'un angle critique, plus la lumière passe de temps dans le second milieu, résume Christophe Bonnet. C'est une nouvelle lecture des lois de Descartes, où l'on passe continûment des lois de la réflexion totale aux lois de la réfraction » (lire encadré).Plutôt Intéressant, d'un point de vue fondamental.  

Fibres optiques  

Christophe Bonnet a déjà publié des articles, notamment dans Physical review Letters et Physical letters A. Ce dernier a été salué par la presse scientifique internationale. Les applications concrètes devraient aussi être au rendez-vous. « Le brouillage, lié à la polarisation de la lumière, est notamment observé dans les fibres optiques, où l'on compte 10 millions de réflexions totales par km. Nous apportons une interprétation à ce phénomène ». En outre, les lois de réflexion et réfraction ne s'applique pas seulement à la lumière à travers un prisme en verre, mais se retrouvent dans de nombreux domaines, notamment les ondes sismiques et les particules massives.  

NG

[1] Laboratoire PALMS, Université de Rennes 1, UMR CNRS 6627.     

L'idée : changer l'orientation du détecteur

Christophe-Bonnet-1.jpg

    Christophe-Bonnet-2.jpg

Sur ces deux schémas, l'onde émise est représentée en noir. La réflexion est totale, car l'angle , entre l'onde et la perpendiculaire de la surface du verre, est supérieur à celui de l'incidence critique. L'onde réfléchie à l'intérieur du verre, c'est-à-dire le rayon incident, correspond à la flèche bleue. Le trait rouge correspond à cette onde, ayant subi un retard à la réflexion totale. Ce retard () est le délai de Wigner. Sur le schéma 1, le détecteur D est placé perpendiculairement à l'onde émise. Le temps passé par la lumière en dehors du verre ne peut pas être observé. Mais en plaçant le détecteur parallèlement à la surface, (schéma 2), ce délai peut être mesuré.   

La réflexion totale  

Quand une onde lumineuse, dans un bloc de verre, frappe la surface perpendiculairement, le faisceau est transmis en ligne droite. Lorsque l'angle du rayon incident augmente, l'angle du faisceau émergent augmente plus vite, jusqu'à devenir tangent à la surface. Ceci s'explique grâce aux lois de Descartes. Lorsque l'on augmente encore cet angle jusqu'à un angle IC (Incidence critique), la lumière ne peut plus être transmise, elle est alors réfléchie en totalité et reste dans le verre. On appelle ce phénomène la réflexion totale.

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Article publié en Novembre 2005
dans Sciences Ouest n°226

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Total reflection doubles up  link

Physicists have measured for the first time the length of time that light spends outside a piece of glass when it undergoes total internal reflection. Albert Le Floch and colleagues at the University of Rennes in France found that there are in fact two of these Wigner delays, and not just one as first suggested by Newton (D Chauvat et al. 2005 Physics Letters A 336 271).

When a ray of light that is travelling through a piece of glass strikes the interface between the glass and the air, it changes direction according to Snell's law. If the angle of incidence is less than a critical angle, which is determined by the refractive index of the glass and the air, the ray is refracted and leaves the glass. However, if the angle of incidence is greater than this critical angle, the ray undergoes total internal reflection and remains in the glass.

h air to establish an absolute zero for the delay measurement. The detection method relies on an autocorrelator built with a two-photon GaAsP detector and a "clock" arm including a variable controlled delay line (image and text: <a href="http://dx.doi.org/10.1016/j.physleta.2005.01.036"><i>Physics Letters A</i> <b>336</b> 271</a>). ." href="http://images.iop.org/objects/phw/news/9/3/4/0503041.jpg">The experiment
The experiment

In his classic book on optics Newton suggested that the light ray should be slightly delayed in the second medium before re-entering the first. Later, in 1955, the Hungarian physicist Eugene Wigner made a prediction for the value of this delay, but it has not been measured in an experiment until now.

Le Floch and colleagues began by placing a container filled with mercury along the hypotenuse of a glass prism. They then passed a femtosecond laser beam, which was polarised perpendicular to the plane of incidence, through the prism onto the surface of the mercury (see figure). Wigner delays are extremely short so they can only be measured with ultrashort light pulses.

Next, the physicists timed how long it took the light beam to be reflected back through the prism using an autocorrelator. Since reflection from a metal does not involve a time delay, this measurement defines the "absolute zero" in the experiment. The team then removed the mercury and repeated the measurement. The difference between the two results gave an absolute value for the delay from the glass-air interface.

Le Floch’s group found that the delays increased as the angle of incidence approached the critical angle of 43.48°, with the largest measured value being 28 femtoseconds. Moreover, when the experiment was repeated with light that was polarised parallel to the incident plane, the delays reached 57 femtoseconds. This implies that there must be two Wigner delays at total reflection for unpolarised light.

"Newton would probably be surprised by the existence of two different delay times because at the end of the seventeenth century the transverse nature of light was still unknown," team member Olivier Emile told PhysicsWeb.

The Wigner delays at total reflection could be used to study the new "left-handed" or negative refractive index materials, and materials with photonic band gaps. Moreover, they should also exist for beams of particles such as neutrons according to the Rennes team.

About the author

Belle Dumé is Science Writer at PhysicsWeb

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Physique des lasers  link 

Lumière en surface : l'énigme de Newton résolue

Avant de rebondir sur une surface, la lumière... marque une pause. Newton avait pressenti ce phénomène. Christophe Bonnet l'a mis en évidence, de manière expérimentale, au laboratoire de physique des lasers, à l'Université de Rennes 1. Ce temps de pause est enfin mesuré !

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C'était une vieille question, à laquelle a répondu Christophe Bonnet, qui a effectué sa thèse, en 2005, au laboratoire de physique des lasers , à l'Université de Rennes 1. En 1704, en observant le jeu de la lumière à travers des prismes, Newton observe un phénomène inattendu. Dans les conditions de réflexion totale, la lumière sort du verre à sa surface, avant de se réfléchir un peu plus tard vers l'intérieur du prisme. La loi de la réflexion de Descartes n'est donc pas toujours un phénomène instantané ! Il existe en effet un « délai de Wigner », du nom du prix Nobel de physique hongrois, qui l'a formalisé dans sa théorie de la diffusion en 1955. Mais ce temps, estimé à quelques femtosecondes (10-15 s), était impossible à mesurer avec les sources lumineuses de l'époque !
Aujourd'hui, certains lasers permettent l'émission de bouffées de lumières très brèves, de l'ordre de 100 femtosecondes.
Le délai de Newton-Wigner peut enfin devenir observable ! Il suffit de placer un détecteur sur l'onde réfléchie pour mesurer le décalage temporel. Mais ce n'est pas si simple.

Le détecteur parallèle à la surface

 « En positionnant le détecteur comme d'habitude, perpendiculairement à l'onde réfléchie, il y a  une compensation automatique du délai, explique Christophe Bonnet. C'est une conséquence de la loi de propagation de la lumière. Nous avons alors eu l'idée de placer le détecteur parallèlement à la surface où se produit la réflexion totale, plutôt que perpendiculairement à l'onde émise ». Et le temps passé le long de l'interface est enfin connu. C'est tout simple ! « Personne ne l'avait fait », précise Olivier Emile, le directeur de thèse.
 Et curieusement, ce n'est pas un délai de Wigner qui a été mesuré grâce à ce procédé, mais... deux. Ce délai dépend en effet de la polarisation de l'onde lumineuse incidente, c'est-à-dire de la direction dans laquelle elle oscille, horizontale ou verticale. Des délais de 30 et de 60 femtosecondes ont été mesurés. « Dans les deux cas, plus on se rapproche d'un angle critique, plus la lumière passe de temps dans le second milieu, résume Christophe Bonnet. C'est une nouvelle lecture des lois de Descartes, où l'on passe continûment des lois de la réflexion totale aux lois de la réfraction ». Plutôt intéressant, d'un point de vue fondamental.
Dans les fibres optiques
Christophe Bonnet, aujourd'hui attaché temporaire à l'université de Lyon 1( ), a déjà publié des articles, notamment dans Physical Review Letters et Physical Letters A. Ce dernier a été salué par la presse scientifique internationale. Les applications concrètes devraient aussi être au rendez-vous. « Le brouillage, lié à la polarisation de la lumière, est notamment observé dans les fibres optiques, où l'on compte 10 millions de réflexions totales par km. Nous apportons une interprétation à ce phénomène ». Et ces lois de réflexion et réfraction ne s'appliquent pas seulement à la lumière à travers un prisme en verre, mais se retrouvent dans de nombreux domaines, notamment les ondes sismiques et les particules massives.

NG

1Cet article a déjà été publié dans le n°226 de Sciences Ouest (novembre 2005).
2Laboratoire PALMS, Université de Rennes 1, UMR CNRS 6627.

Contact : Christophe Bonnet, christophe.bonnet@lasim.univ-lyon1.fr

Thèse : Étude théorique expérimentale des délais de Wigner aux interfaces. Application des ondes évanescentes au laser tunnel.
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Article publié en Février 2006
dans Sciences Ouest n°229

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Brittany Young Researcher’s Prize: T. Ruchon, 2007.

Thierry Ruchon jongle les milieux chiraux  link

Champ magnétique, lumière, laser, milieu chiral, ce sont les outils avec lesquels jongle Thierry Ruchon, physicien.

Au laboratoire Palms, dans l'équipe de physique des lasers, à l'Université de Rennes 1, le travail de thèse de Thierry Ruchon portait sur l'interaction magnétochirale. On parle de chiralité d'une molécule lorsqu'elle peut exister sous deux formes, chaque forme étant le reflet de l'autre. « L'analogie qu'on fait le plus souvent est celle de la main : la main droite est semblable à la main gauche, mais les deux ne sont pas superposables. Elles sont chirales ». Si les organismes vivants n'utilisent et ne synthétisent qu'une des deux formes , les formes droite et gauche coexistent dans la nature. Pasteur avait eu l'intuition que le champ magnétique terrestre pourrait être à l'origine de ce qu'on a appelé l'homochiralité de la vie, mais sans pouvoir le démontrer. « En fait, le changement de proportion entre les molécules de type droit et de type gauche dans un milieu chiral est dû à la combinaison du champ magnétique et de la lumière naturelle. C'est l'interaction magnétochirale ».
Cette interaction peut être mesurée par les modifications de l'indice du milieu qu'elle induit quand celui-ci est soumis à un champ magnétique. C'est la voie que Thierry a choisi. « Nous avons mis au point un laser pour pouvoir mesurer les variations qui sont difficiles à mettre en évidence. Et nous avons réussi. C'est la première fois que ça arrivait ! Ll'écart que nous avons mesuré est finalement plus grand que ce que la théorie laissait présager ». Est-ce que cette découverte aura des applications ? « Peut-être, mais c'est d'abord de la recherche fondamentale et c'est ça qui m'intéressait », assure Thierry Ruchon.
Le chercheur va désormais apporter d'autres pierres à ce bel édifice depuis le CEA(3) de Saclay (en région parisienne) qu'il a intégré en novembre.

CG
Thèse : L'interaction magnétochirale : étude théorique et expériences dans les lasers
(3) CEA : Commissariat de l'énergie atomique.

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Article publié en Décembre 2007
dans Sciences Ouest n°249
 

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