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Propagation d’ondes optiques non linéaires en milieux désordonnés

- Porteur : Michel Claire

- Collaborateurs LPMC : Doya Valérie, Aschiéri Pierre, Bellec Mathieu, Legrand Olivier, Mortessagne Fabrice

- Collaborateurs extérieurs : Picozzi A. (ICB, Dijon), Garnier J. (Université Paris Diderot - Paris 7)

- Description :

A l’échelle mésoscopique, le transport d’une onde dans un milieu désordonné est caractérisé par le phénomène de diffusion multiple. Dès lors que le désordre devient suffisamment important, les interférences jouent un rôle primordial et peuvent dominer le phénomène de diffusion. On est alors dans le régime de localisation forte, plus connu sous le nom de localisation d’Anderson. Jusqu’à présent, la plupart des études expérimentales sont menées en considérant un régime linéaire. L’étude de la localisation d’Anderson dans les condensats de Bose-Einstein pousse cependant la communauté à se tourner vers une étude de l’interaction entre non linéarité et diffusion multiple (instabilité du speckle, lasers aléatoires, etc).

Pour confronter désordre et non linéarité, l’optique guidée fournit un support expérimental idéal dans lequel les non linéarités sont bien connues. Une fibre optique multimode non linéaire devient alors un système modèle pour l’étude de l’évolution de la structure spatiale transverse d’une onde dans un milieu désordonné non linéaire : il est en effet technologiquement possible de créer un profil d’indice optique invariant dans la direction de propagation, et qui présente un désordre spatial approprié pour assurer l’existence de modes transverses localisés. Nous disposons alors d’un outil relativement simple permettant une visualisation directe de la répartition spatiale du champ dans un milieu non linéaire fortement diffusif.

Au delà de cette idée d’expérience modèle, ce dispositif expérimental donne une perspective aux premières études que nous avons menées concernant le phénomène de thermalisation optique dans un régime pour lequel la non linéarité est perturbative. L’optique non linéaire incohérente fait l’objet d’un intérêt croissant ces dernières années, comme en témoignent de nombreux sujets d’actualité, comme les solitons incohérents, les « lasers blancs », ou encore l’étude d’évènements extrêmes. En particulier, la thermalisation et la condensation d’ondes optiques ont suscité un grand intérêt. Sur la base de la théorie cinétique de la Turbulence faible, une approche cinétique de l’optique non linéaire statistique a pu être développée. En effet, par une analogie simple avec la thermodynamique, le mélange à n ondes dû à la non linéarité du milieu peut être vu comme un système de particules classiques soumises à des collisions (gaz). Une onde se propageant dans un milieu non linéaire subit ainsi un phénomène de thermalisation. C’est-à-dire que son spectre évolue inéluctablement vers une solution d’équilibre thermodynamique.

Un exemple marquant associé à l’application de la théorie cinétique dans les systèmes optiques est la condensation d’ondes classiques. Le spectre d’équilibre thermodynamique d’une onde se propageant dans un milieu non linéaire exhibe une divergence pour le mode fondamental qui, par analogie avec la transition de Bose-Einstein dans les systèmes quantiques, donne lieu à l’existence d’un processus de condensation.

Deux enjeux majeurs se dégagent clairement :
1. le premier concerne directement la communauté des milieux désordonnés : disposer d’un système expérimental « simple » qui présente une non linéarité connue et maîtrisée (effet Kerr optique) ainsi qu’un désordre spatial assurant l’existence de modes localisés. Ce système permettra (i) de déterminer les effets majeurs associés à la propagation non linéaire d’une onde dans un milieu désordonné, (ii) de les mettre en évidence par une visualisation directe du champ,
2. le second marie propagation des ondes en milieux complexes et optique non linéaire incohérente : répondre à la question fondamentale de l’évolution asymptotique d’une onde optique non linéaire incohérente soumise à un potentiel désordonné et réaliser la première étude expérimentale mettant en évidence la thermalisation d’une onde classique dans un potentiel aléatoire. L’étude numérique de ce dispositif est en cours, et nous envisageons un développement expérimental sur la base d’une fibre optique microstructurée en verre de Chalcogénure. La microstructure permettra d’assurer le désordre d’indice optique. Le verre de Chalcogénure présente l’intérêt non négligeable de posséder un coefficient non linéaire très haut, en comparaison avec la silice utilisée de manière standard dans les fibres optiques.

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Mots-clés

MOSAIQ, Physique Mésoscopique, Photonique