Esempio di effetto non lineare osservabile in una fibra ottica. Tutti i colori dell'arcobaleno sono generati all'uscita mentre un solo colore è presente all'ingresso. Stiamo parlando di supercontinuum. Autore fornito
Fisici dell'Università di Lille, in collaborazione con l'Università di Ferrara in Italia, hanno introdotto un fiume in un laboratorio ottico... Hanno appena osservato la rottura di una barriera di fotoni in una fibra ottica, un fenomeno direttamente paragonabile alla rottura di una diga posta sul letto di un fiume.
Noi ei nostri colleghi abbiamo sfruttato l'analogia tra la propagazione delle onde nei fiumi e la propagazione degli impulsi luminosi nelle fibre ottiche per studiare in dettaglio la formazione dell'onda che si dispiega immediatamente dopo la rottura di una diga su un fiume. E questo, comodamente installati nel nostro laboratorio ottico senza rischi.
Gocce d'acqua in una fibra ottica?
È più di un'analogia:in determinate condizioni, le equazioni che governano la propagazione di queste onde sono strettamente identiche per ciascuno di questi mezzi. È quindi sorprendente che il comportamento di questi due sistemi fisici, a priori completamente differente, è identico. Più precisamente, abbiamo dimostrato che le minuscole gocce d'acqua intrappolate dietro la diga si comportano come granelli di luce – i fotoni – di un raggio laser quando si propagano in una fibra ottica. Segnaliamo che questa analogia è stata utilizzata più di dieci anni fa per studiare la formazione delle onde anomale.
La situazione che abbiamo studiato è completamente diversa. È una diga posta sul letto di un fiume che si rompe improvvisamente (niente a che vedere con un'onda anomala). Per simulare la rottura di una diga in una fibra ottica, Fisici francesi e italiani hanno iniettato in una fibra un raggio laser le cui variazioni di intensità nel tempo corrispondono alla differenza dei livelli dell'acqua situati a monte ea valle della diga.
Rottura di una diga basata su simulazioni numeriche su un fiume/in fibra ottica.
Per fare questo, il laser è costretto a emettere un lampo di luce a forma di gradino, il livello dei gradini corrispondente alla luminosità del laser. Un primo passo, di intensità molto bassa seguito da un secondo di intensità luminosa molto forte. I livelli di intensità della luce sono quindi simili ai livelli dell'acqua nel fiume. È importante sottolineare che affinché la corrispondenza sia valida è essenziale che la transizione sia estremamente rapida tra questi due passaggi:solitamente 20 picosecondi o 20 miliardesimi di millisecondo, il che rende questi esperimenti molto complicati sia per la generazione dei segnali che per la loro caratterizzazione. Sono necessari dispositivi ad alte prestazioni per raggiungere questo livello di precisione.
Impulsi scala
Durante la sua propagazione nella fibra ottica, l'aspetto temporale dell'impulso laser, inizialmente nel gradino della scala, viene modificato perché, da una parte, vengono generati nuovi colori e, d'altra parte, questi colori non viaggiano alla stessa velocità. L'improvviso passaggio tra questi due passaggi evolve gradualmente e inestricabilmente verso una transizione più fluida. La diga è rotta! L'onda che si dispiega conduce per la generazione di un'onda d'urto e di un'onda di rarefazione che collegano le due scale.
Queste due onde forniscono la transizione tra i due livelli di intensità nel telaio del laser, o entrambi i livelli d'acqua in una diga su un fiume. Sottolineiamo, è importante, che l'insieme delle osservazioni sperimentali è stato validato da simulazioni numeriche. Ciò conferma che il modello utilizzato descrive con precisione il fenomeno e quindi rafforza la forza dell'analogia.
La principale differenza sta nel fatto che in ottica, l'evoluzione avviene lungo la lunghezza della fibra, mentre nel caso di un fiume, il parametro di evoluzione è il tempo. Così, seguire la formazione dell'onda in seguito alla rottura di una diga, è necessario registrare la forma temporale del laser per diverse lunghezze di fibra, come mostrato nella figura sottostante.
Equipaggiamento della torre di disegno in fibra ottica Fibertech Lille.
A differenza di rompere una diga su un fiume, l'esperimento eseguito in un laboratorio ottico è privo di rischi, ripetibile e l'insieme dei parametri regolati con precisione. È davvero molto facile cambiare la potenza del laser, il suo colore o il tipo di fibra ottica. Così, è possibile scansionare un'ampia gamma di parametri per ottenere una comprensione precisa del fenomeno (abbiamo usato il FiberTech Lilla torre di disegno del laboratorio PHLAM, con sede a IRCICA per sviluppare e produrre fibre ottiche ottimizzate per questo esperimento).
Approccio scientifico e prospettive
A causa dell'analogia formale tra questi due domini, tutte le conclusioni e le interpretazioni possono essere trasposte al caso della rottura di una diga su un fiume. Questo lavoro costituisce la prima validazione sperimentale di predizioni basate su una celebre teoria sviluppata dal matematico G.B. Whitham diversi decenni fa e il sistema sperimentale implementato ci permetterà di studiare un problema più generale posto dal famoso matematico Riemann nel XIX secolo.
Finalmente, questo lavoro illustra l'approccio che i fisici seguono nella vita di tutti i giorni. Sviluppano i modelli più universali possibili per descrivere e prevedere ciò che si osserva in natura, collaborando con esperti di diversi paesi.
Il documento è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, intitolato "Flusso dispersivo di rottura della diga di un fluido di fotoni".
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale. 
