Un nouveau type de sources lasers femtosecondes, les peignes de fréquences femtosecondes, s’est récemment développé et a révolutionné le domaine de la métrologie des fréquences. Ces sources, qui possèdent un spectre très large et une structure faite de raies très fines, sont équivalentes à un million de lasers monochromatiques, émettant en phase. Ces lasers trouvent à présent de nombreuses applications dans d’autres secteurs (optique non-linéaire, astrophysique, spectroscopie…) et la mise au point de nouveaux types de peignes de fréquences est un domaine de recherche très actif.

L’objectif de ce stage sera de développer une source laser peigne de fréquences femtosecondes infrarouge de haute stabilité dédiée à des expériences de spectroscopie. Elle sera basée sur l’association d’un laser femtoseconde à fibre dopée à l’erbium et d’une fibre fortement non-linéaire (telles que des fibres à cristaux photoniques). La fibre non-linéaire permettra d’élargir le spectre du laser femtoseconde par un phénomène de génération de « supercontinuum ». On cherchera en particulier à préserver dans le « supercontinuum » la structure du peigne de fréquences. Une fois la source mise au point et caractérisée, son exploitation pour des expériences de spectroscopie innovantes pourra être engagée.

Ce stage est à dominante expérimentale. Il se situe dans le domaine de la physique des lasers, de la génération d’impulsions femtosecondes, de la stabilisation fréquentielle de lasers et permettra au stagiaire d’appréhender l’un des domaines d’application en pleine expansion de l’optique ultra-rapide.

Ces recherches sont effectuées dans le cadre du Laboratoire Européen Associé « European Laboratory for Frequency Comb Spectroscopy », qui cristallise l’étroite collaboration entre notre équipe et la Laser Spectroscopy Division du Max Planck Institut für QuantenOptik (Directeur : Pr. T.W. Hänsch, Prix Nobel de Physique 2005 pour le développement des peignes de fréquences femtosecondes) à Munich, Allemagne.

 Le stagiaire percevra une indemnité de stage.

Une bourse de thèse (financement de 3 ans fourni par l’Université Paris-Sud) est déjà acquise pour engager un travail de doctorat dans notre équipe dans le prolongement de ce sujet.

Les lasers femtosecondes révolutionnent actuellement la métrologie en permettant le développement de peignes de fréquences optiques constitués de raies très fines, très stables et couvrant un très large domaine spectral. La méthode des peignes de fréquences femtosecondes est mise en pratique depuis environ sept ans. Son importance est telle que les chercheurs à l’origine de ces travaux ont été récompensés du Prix Nobel de Physique 2005. A l’heure actuelle, les peignes de fréquences femtosecondes sont principalement exploités en métrologie fondamentale, sur de très faibles portions de leur spectre.

Notre équipe vient de développer une méthode de diagnostic optique fondée sur l’exploitation de deux peignes de fréquences sur la globalité de leur plage spectrale. L’un des peignes de fréquences sonde l’échantillon analysé, le second sert de spectromètre. La méthode permet de mesurer, avec résolutions spectrale et temporelle, l’absorption et la dispersion de l’échantillon analysé, de façon quasi-instantanée (quelques microsecondes). Les qualités de notre spectromètre renouvellent profondément les instruments de spectroscopie et nous souhaitons les mettre à profit pour le diagnostic en temps réel de milieux en phase gazeuse.

L'objet du stage à dominante expérimentale sera donc de mettre en évidence les capacités de notre méthode de diagnostic spectroscopique pour l’observation de phénomènes transitoires non répétitifs. Le stagiaire participera au développement et à l’optimisation d’un instrument mesurant les interférences entre deux peignes de fréquences femtosecondes. Il sera également impliqué dans le montage d’un dispositif test, destiné à produire des molécules instables par plasma et dans son couplage au spectromètre. Il mesurera et étudiera ensuite les spectres ainsi obtenus. L’objectif final est de dégager les potentialités du spectromètre pour le diagnostic d’intérêt environnemental et les modalités du développement d’un prototype de capteur de traces de gaz.

 
Ces recherches sont effectuées dans le cadre du Laboratoire Européen Associé « European Laboratory for Frequency Comb Spectroscopy », qui cristallise l’étroite collaboration (en particulier, 2 brevets communs) entre notre équipe et la Laser Spectroscopy Division du Max Planck Institut für QuantenOptik (Directeur : Pr. T.W. Hänsch, Prix Nobel de Physique 2005) à Munich, Allemagne. Elles sont également accomplies en partenariat avec la société MenloSystems GmbH, en vue d’une commercialisation de notre spectromètre.

 
Le stagiaire percevra une indemnité de stage.

Le projet dans lequel s’insère ce stage vise à concevoir de nouvelles méthodologies pour la spectroscopie à large bande spectrale, très haute résolution et très haute exactitude. Grâce à de nouvelles sources lasers à impulsions ultracourtes, les peignes de fréquences femtosecondes, notre équipe vient de développer un nouveau type de spectromètre qui ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la spectroscopie de précision. Notre objectif est de perfectionner ce spectromètre et de tester ses capacités à faire le lien entre les deux domaines distincts que sont la spectroscopie et la métrologie des fréquences optiques. Cela implique en particulier de pouvoir stabiliser le peigne de fréquences femtosecondes sur une référence optique de grande stabilité.

Dans le cadre de ce stage, le stagiaire développera cette référence optique. Elle sera basée sur un laser continu, de largeur très fine, émettant dans le domaine du proche infrarouge et asservi sur une transition moléculaire sub-Doppler. Il caractérisera la référence de fréquences ainsi obtenue, puis l’utilisera pour stabiliser les peignes de fréquences de l’équipe. Il pourra par la suite étudier les progrès amenés par ce nouveau référencement sur la réalisation de spectres large-bande réalisés avec une résolution extrême et, par exemple dans le cadre d’une thèse, s’impliquer dans l’un des nouveaux thèmes ouverts par cette nouvelle spectroscopie de précision.

Ce stage est à dominante expérimentale. Il se situe dans le domaine de la métrologie des fréquences optiques et de la stabilisation fréquentielle de lasers et permettra au stagiaire de se familiariser avec des méthodes optoélectroniques de pointe.

Ces recherches sont effectuées dans le cadre du Laboratoire Européen Associé « European Laboratory for Frequency Comb Spectroscopy », qui cristallise l’étroite collaboration entre notre équipe et la Laser Spectroscopy Division du Max Planck Institut für QuantenOptik (Directeur : Pr. T.W. Hänsch, Prix Nobel de Physique 2005) à Munich, Allemagne.

Le stagiaire percevra une indemnité de stage.

Une bourse de thèse (financement de 3 ans fourni par l’Université Paris-Sud) est déjà acquise pour engager un travail de doctorat dans notre équipe dans le prolongement de ce sujet.

La description, en mécanique quantique, de systèmes contenant plusieurs particules indiscernables est basée sur le postulat de symétrisation, qui impose à leur fonction d'onde totale d'être soit symétrique, soit antisymétrique par rapport à toute permutation de particules identiques. Dans le premier cas, les particules obéissent à la statistique de Bose-Einstein, dans le second à celle de Fermi-Dirac. Le théorème spin-statistique, énoncé par Pauli, complète le postulat, en associant au caractère bosonique ou fermionique des particules un spin entier ou demi-entier.

Le postulat de symétrisation et le théorème spin-statistique n’ont jamais été mis en défaut. A ce titre, ils constituent une pierre angulaire de la physique moderne permettant la description de phénomènes aussi fondamentaux que l'extension spatiale des atomes à plusieurs électrons, l'émission stimulée, les condensats de Bose-Einstein…Ceci n'empêche pas les physiciens de chercher, dès 1940, à dépasser le postulat en l'incluant dans une théorie plus générale. Elaborées à partir des années 1990, des théories très convaincantes permettent une faible déviation au postulat de symétrisation tout en respectant les principes de la mécanique quantique non-relativiste.

De nombreux tests expérimentaux sensibles ont été effectués sur des systèmes variés : électrons, photons ou noyaux atomiques dans des molécules. Aucune violation n’a été observée. La majorité de ces expériences portent sur le théorème de spin-statistique: basées sur des systèmes à deux particules identiques, elles testent alors la nature bosonique ou fermionique des particules.

La spectroscopie moléculaire d’absorption ultrasensible est un outil de choix pour la réalisation de ces tests fondamentaux. Le principe d’une telle expérience consiste alors à tenter la détection de transitions bien choisies, interdites par le postulat de symétrisation.

Notre équipe a développé récemment des méthodes de spectroscopie ultrasensible, dont les performances peuvent contribuer à améliorer ces tests fondamentaux. Dans le cadre du stage proposé, le stagiaire participera la réalisation d’un test expérimental sur un système à trois particules identiques, NH₃ et à l’interprétation des résultats.

Ce stage de M2 a un contenu équilibré entre expérimentation et analyse. Il permettra au stagiaire de se former à l’utilisation de lasers, de dispositifs optiques et de techniques spectroscopiques pointues, tout en approfondissant des notions très fondamentales de mécanique quantique et de physique moléculaire.

 
Le stagiaire percevra une indemnité de stage.

Une bourse de thèse (financement de 3 ans fourni par l’Université Paris-Sud) est déjà acquise pour engager un travail de doctorat dans notre équipe.

Nous accueillons tous les ans des stagiaires niveau L3 et M1.
Nous proposons des stages expérimentaux et/ou d'interprétation de résultats sur les thématiques suivantes:
    - développement de sources laser
    - conception d'instruments impliquant principalement optique et/ou électronique
    - spectroscopie expérimentale, application à des molécules d'intérêt astrophysique ou atmosphérique
    - interprétation de spectres moléculaires
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