Og pludselig, dæmningen gik i stykker, lader lyskornene strømme frem…

Fysikere fra universitetet i Lille, i samarbejde med University of Ferrara i Italien, har introduceret en flod i et optisk laboratorium... De har lige observeret brud på en fotonbarriere i en optisk fiber, et fænomen, der direkte kan sammenlignes med brud på en dæmning placeret på bundet af en flod.

Vi og vores kolleger har udnyttet analogien mellem udbredelsen af ​​bølger i floder og udbredelsen af ​​lysimpulser i optiske fibre til i detaljer at studere dannelsen af ​​den udfoldede bølge, der umiddelbart følger brud på en dæmning på en flod. Og dette, komfortabelt installeret i vores optiske laboratorium uden risiko.

Vanddråber i en optisk fiber?

Det er mere end en analogi:under visse betingelser, ligningerne, der styrer udbredelsen af ​​disse bølger, er strengt identiske for hvert af disse medier. Det er derfor overraskende, at disse to fysiske systemers opførsel, a priori helt anderledes, er identisk. Mere præcist, vi har vist, at de små dråber vand, der er fanget bag dæmningen, opfører sig som lyskorn – fotonerne – fra en laserstråle, når de udbreder sig i en optisk fiber. Vi påpeger, at denne analogi var blevet brugt for mere end ti år siden til at studere dannelsen af ​​slyngelbølger.

Den situation, vi har undersøgt, er en helt anden. Det er en dæmning placeret på bundet af en flod, der pludselig knækker (intet at gøre med en slyngelbølge). For at efterligne brud på en dæmning i en optisk fiber, Franske og italienske fysikere indsprøjtede en laserstråle i en fiber, hvis variationer i intensitet versus tid svarer til forskellen i vandstanden placeret opstrøms og nedstrøms for dæmningen.

At gøre dette, laseren tvinges til at udsende et lysudbrud i form af et trappetrin, niveauet af trinene svarende til laserens lysstyrke. Et første skridt, af meget lav intensitet efterfulgt af et sekund med meget stærk lysstyrke. Niveauerne af lysintensitet svarer derefter til niveauerne af vand i floden. Det er vigtigt at understrege, at for at korrespondancen skal være gyldig, er det vigtigt, at overgangen er ekstremt hurtig mellem disse to trin:normalt 20 picosekunder eller 20 milliardtedele af et millisekund, hvilket gør disse eksperimenter meget vanskelige både for genereringen af ​​signalerne og deres karakterisering. Højtydende enheder er nødvendige for at opnå dette niveau af nøjagtighed.

Trappeimpulser

Under dets udbredelse i den optiske fiber, det tidsmæssige udseende af laserpulsen, først i trappetrin, er ændret, fordi på den ene side, nye farver genereres, og på den anden side, disse farver bevæger sig ikke med samme hastighed. Den pludselige overgang mellem disse to trin udvikler sig gradvist og uløseligt hen imod en jævnere overgang. Dæmningen er brudt! Den udfoldede bølge fører til generering af en chokbølge og en sjælden bølge, der forbinder de to trapper.

Disse to bølger giver overgangen mellem de to intensitetsniveauer i laserrammen, eller begge niveauer af vand i en dæmning ved en flod. Lad os understrege, det er vigtigt, at sættet af eksperimentelle observationer er blevet valideret ved numeriske simuleringer. Dette bekræfter, at den anvendte model præcist beskriver fænomenet og derfor forstærker analogiens styrke.

Den største forskel ligger i det faktum, at i optik, udvikling finder sted langs fiberlængden, der henviser til, at i tilfælde af en flod, udviklingsparameteren er tiden. Dermed, at følge bølgens dannelse efter brud på en dæmning, det er nødvendigt at registrere den tidsmæssige form af laseren for forskellige fiberlængder, som vist i nedenstående figur.

I modsætning til at bryde en dæmning på en flod, eksperimentet udført i et optisk laboratorium er risikofrit, kan gentages og parametersættet er fint justeret. Det er faktisk meget nemt at ændre laserens kraft, dens farve eller typen af ​​optisk fiber. Dermed, det er muligt at scanne en lang række parametre for at opnå en fin forståelse af fænomenet (vi brugte FibreTech Lille tegnetårn af PHLAM laboratoriet, baseret i IRCICA for at udvikle og fremstille optiske fibre optimeret til dette eksperiment).

Videnskabelig tilgang og perspektiver

På grund af den formelle analogi mellem disse to domæner, alle konklusionerne og fortolkningerne kan overføres til tilfældet med brud på en dæmning på en flod. Dette arbejde udgør den første eksperimentelle validering af forudsigelser baseret på en berømt teori udviklet af matematikeren G.B. Whitham for flere årtier siden og det implementerede eksperimentelle system vil give os mulighed for at studere et mere generelt problem stillet af den berømte matematiker Riemann i det nittende århundrede.

Endelig, dette arbejde illustrerer den tilgang, som fysikere følger i hverdagen. De udvikler de mest universelle modeller til at beskrive og forudsige, hvad der observeres i naturen, ved at samarbejde med eksperter fra forskellige lande.

Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters, med titlen "Dispersive Dam-Break Flow of a Photon Fluid."

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.