Fontaine laser géante

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1 Appel à projet Fontaine laser géante pour la célébration des 50 ans du laser Pour le Comité d'organisation des 50 ans du laser (SFO/SFP/CNOP/AFOP/OpticsValley) Auteurs : Brigitte Mâcon-Bogaert, Association Sciences Essonne Paul-Eric Pottie, Laboratoire de physique des Lasers CNRS / SFP Christophe Daussy, Laboratoire de physique des Lasers Université Paris 13 / SFP Sébastien Forget, Laboratoire de physique des Lasers Université Paris 13 Résumé Nous proposons de réaliser, dans le cadre de la célébration des 50 ans du laser, une expérience de physique spectaculaire, ludique et esthétique, combinant des lasers de différentes couleurs et de l'eau. L'expérience permet de comprendre le fonctionnement des fibres optiques, qui sont au coeur des réseaux de télécommunication modernes, tout en apportant une démonstration expérimentale éclatante des principes fondamentaux de l'optique : réflexion et réfraction de la lumière, notion de couleur, synthèse additive des couleurs. L'expérience est appelée à faire partie d'une exposition présentée lors d'expositions et de manifestations fêtant les 50 ans du laser dans toute la France. Table des matières Description générale...3 Contexte - Ambitions...3 Principe...5 Objectifs pédagogiques...6 Objectifs culturels...7 Le projet scientifique et culturel : Fontaine laser géante...8 Cahier des charges...8 Modalités...8 Contacts :...9 Budget...10 SFO : Société Française d'optique SFP : Société Française de Physique CNOP : Comité National d'optique et Photonique AFOP : Association Française d'optique et Photonique 1

2 Description générale Contexte - Ambitions Nous fêterons en 2010 les 50 ans de la première réalisation expérimentale du laser. Prouesse expérimentale et curiosité scientifique au moment de la publication originale de Maiman en 1960, le laser est devenu 50 ans plus tard un exemple remarquable d'une découverte de physique fondamentale aux innombrables applications concrètes et quotidiennes : télécommunication, usinage de précision et contrôle qualité, CD et DVD laser, spectacles sons et lumières, médecine et chirurgie, télémétrie, surveillance du climat, lecture des prix dans les supermarchés... Le laser a bouleversé à la fois la recherche fondamentale, la recherche appliquée et le monde industriel. Le laser représente aujourd'hui un marché mondial1 de 7,12 milliards de dollars (soit env. 5 milliards ). Le comité d'organisation des 50 ans du laser souhaite disposer d'une expérience spectaculaire et emblématique, soulignant les aspects pluridisciplinaires du laser, afin d'attirer le plus large public possible vers le laser. Pour cela, il est nécessaire de réaliser une expérience de grande dimension, visible de loin, et esthétique. Un ensemble de conférences, d'expositions, et de rencontres avec le public sont organisées dans toute la France pour fêter la découverte du laser. Plusieurs expositions destinées au grand public seront proposées à l'échelle nationale, et en particulier dans les régions Aquitaine (laser Mégajoule Pôle Alpha Route des lasers), Bretagne (Pôle Anticipa Bretagne) et Ile de France. Cette expérience sera présentée au cours de ces manifestations célébrant les 50 ans du laser, et en particulier à des évenements tels que Fête des Sciences, Nuit des Chercheurs, Nuit blanche à Paris, Fête des lumières à Lyon. Elle est appelée à être présentée lors d'évenements ouverts au grand public en France à l'initiative des sections locales de la SFP et de la SFO, ou à l'initiative d'évenements organisés par les pôles optiques régionaux. En 2011, elle devrait être acueillie dans un des deux grand musée parisien consacré à la Science, Cité des sciences ou Palais de la découverte. 1 Source : Laser Focus World, Jan. 2009, 2/9

3 Nous proposons de nous inspirer d'une expérience appelée «Fontaine Laser» en fonctionnement au Laboratoire de Physique des Lasers (LPL) et déjà présentée depuis deux ans à la Fête des Sciences et autres manifestations de vulgarisation scientifique. L'expérience rencontre un vif succès auprès d'un public essentiellement constitué de collégiens et de lycéens de Seine Saint Denis (93). Les motivations du projet sont essentiellement : l'expérience est spectaculaire (voir photos ci-dessous) L'expérience illustre d'une part le fonctionnement des fibres optiques, au coeur des réseaux de télécommunication moderne, et d'autre part la synthèse additive des couleurs à la base du fonctionnement des écrans TV ou PC, des projecteurs de cinéma, etc... L'intérêt d'un public large ne s'est jamais démenti jusqu'à présent, y compris dans des conditions a priori difficiles pour la diffusion de la culture scientifique comme le centre commercial Vélizy 2 (Nuit des chercheurs 2009). FIGURE 2. Fontaine laser du LPL en fonctionnement. Hauteur ~30 cm. Puissances laser : Rouge (650nm)= 48 mw, Vert (532nm)= 50 mw, Bleu (473nm)= 10 mw 3/9

4 Principe Le principe est de guider de la lumière laser dans un jet d'eau, en utilisant la différence d'indice entre l'eau et l'air. Le principe est illustré sur la figure 3. FIGURE 3. On peut montrer aisément que de la lumière se propageant dans l'eau subit une réflexion totale à l'interface avec l'air, et ce pour une large gamme d'angle d'incidence. D'un point de vue physique, le principe de fonctionnement d'une fibre optique est exactement le même que celui de la fontaine laser (figure 4). FIGURE 4. 4/9

5 On peut guider plusieurs lasers, de couleur différentes, dans un même jet d'eau. On démontre alors la synthèse additive des couleurs, comme elle est réalisée par les écrans d'ordinateur, les projecteurs de cinéma, etc... En variant l'intensité relative de 3 lasers, on peut produire un jet d'eau de couleur arbitraire. Nous montrons figure 5 l'exemple de l'orange et du magenta. 3 lasers rouge, bleu et vert d'égale intensité génèrent un jet d'eau blanc. FIGURE 5. Note importante : l'expérience permet au public de placer sa main dans le jet d'eau. La «lumière laser» coule alors dans la main, provoquant une sensation unique. Objectifs pédagogiques Observation du rayonnement laser, et de ses propriétés de mono-chromaticité (une seule couleur) et de collimation (faisceau lumineux fin et parallèle). Principe de fonctionnement du laser. Observation expérimentale de la réfraction de la lumière dans l'eau à l'aide d'un bâton droit, plongé dans l'eau. Observation du guidage de la lumière dans l'eau. Notion de vitesse de la lumière, 5/9

6 plus lente dans l'eau que dans l'air. Notion de plus court chemin. Observation expérimentale de la réflexion totale. Observation expérimentale du guidage de la lumière laser dans une fibre optique multi-mode. Initiation au principe des télécommunications par fibre optique. Modulation d'intensité, multiplexage et fonctionnement des communications numériques haut débit. synthèse additive des couleurs. NB : Tout ou partie de ces objectifs sont proposés au public, en fonction de son âge et de ses connaissances préalables. Objectifs culturels L'ambition première est de familiariser le public avec le laser, et de l'amener à se rendre compte de la diversité des applications du laser dans la vie quotidienne. Le guidage de la lumière dans l'eau illustre le fonctionnement des fibres optiques, et donne le point de départ de discussions sur les télécommunications optiques. La deuxième ambition est d'ouvrir une discussion avec le public autour du laser. Outre les applications de télécommunications par fibre optique, l'observation directe des lasers ouvre la discussion sur les applications des lasers rencontrées par chacun comme le lecteur CD/DVD, les pointeurs lasers, les lecteurs de code-barre. Il est également intéressant de montrer la pluridisciplinarité du laser, en insistant sur les avancées réalisées dans l'industrie et la recherche grâce au laser : découpe et usinage de précision (cellules photo-voltaiques), granulométrie, caractérisation des matériaux et contrôle qualité, télémétrie laser, diagnostic médical, chirurgie et ophtalmologie, physique fondamentale (horloges atomiques, capteurs inertiels, cryptographie quantique, électrodynamique quantique, gravitation relativiste, etc...), chimie quantique (Prix Nobel d'a. Zewail, 1999). Bien sûr, la fontaine laser (du LPL) ne traite pas directement de ces nombreuses applications du laser, mais elle offre l'occasion d'aborder ces questions et de montrer l'actualité de la recherche et le dynamisme de l'innovation en optique et photonique. Enfin, la troisième ambition est d'aborder le thème Arts et Sciences. Nous soulignons que le laser a contribué à l'art, comme instrument d'analyse d'oeuvres d'art, comme outil de restauration, et comme objet créatif pour des show lasers. C'est pourquoi nous souhaitons confier la réalisation de la fontaine laser géante a un artiste ou collectif d'artistes, ayant pour ambition de s'exprimer sur les relations entre sciences et société au sens large, au travers d'une oeuvre symbolisant à elle seule la convergence des arts, des sciences et des technologies. 6/9

7 Le projet scientifique et culturel : Fontaine laser géante Cahier des charges Objectifs pédagogiques et culturels : Utilisation de lasers générant 3 couleurs, rouge, vert et bleu Possibilité d'observation d'un ou plusieurs rayon(s) laser Possibilité d'observer la réflexion totale d'un ou plusieurs rayons laser dans un guide Possibilité de placer sa main dans un jet d'eau guidant de la lumière laser (un ou plusieurs lasers) Possibilité de montrer la synthèse additive des couleurs (lumière laser ou incohérente) Contraintes de construction : Hauteur : 2 à 3 m Visible de 10 à 20 m transportabilité : l'expérience doit pouvoir être présentée dans toute la France avec un temps de montage raisonnable (une demie-journée maximum) Certification sécurité laser avec exposition ouverte au public impérative Nombre de jets d'eau/formes : libre Matériau pour le guidage du/des lasers : au moins un dans l'eau. On peut aussi guider la lumière dans du plexiglas, de la gélatine dense, fibres de gros diamètre, etc... Nota Bene : l'utilisation de fibre optique est bien sûr possible pour amener de la lumière laser en un point quelconque de l'expérience et satisfaire à la fois des objectifs pédagogiques et les desseins de l'artiste. Spécifications LASER : les besoins seront à définir avec les experts scientifiques en fonction du projet proposé par l'artiste. Puissance laser : 100mW minimum, et de 1 à 2W maximum pour chaque couleur. 3 couleurs laser, rouge, vert, et bleu. Intensité des lasers variable, et pouvant être égale entre elles. Combinaison des différents lasers dans plusieurs jets d'eau (synthèse additive des couleurs) Options : Combinaison au son. On peut imaginer de façon optionnelle un couplage entre l'intensité des laser et le spectre d'un son capté dans le public pour rendre l'expérience plus interactive. Une note juste donne une couleur primaire par exemple. Utilisation des matériaux de l'optique : il existe une grande variété de verres et de cristaux, colorés ou non, avec des propriétés singulières, qui pourraient être utilisés pour ce projet. Modalités La réalisation de l'expérience sera donnée à un artiste, collectif d'artistes, sociétés ou institution scientifico-artistique, dénommé ci-après «artiste». Le projet artistique sera sélectionné par un jury de 9 membres composé de : 2 représentants du milieu artistique, 2 scientifiques spécialistes des lasers, 7/9

8 3 représentants issus des 3 partenaires institutionnels ayant majoritairement financé l'opération, 2 représentants du Comité National d'organisation des 50 ans du Laser. La forme de l'expérience est laissée totalement libre : nombre de jets d'eau, trajectoires, dimension du bassin et mécanismes de pompe à eau, matériaux utilisés, nombre de lasers au-delà de 3, nombre et type d'autres sources de lumière, etc... L'artiste veillera toutefois à conserver les objectifs pédagogiques et culturels de la fontaine. La signification de l'oeuvre est laissée totalement libre. Le guidage de la lumière dans l'eau ne marche cependant que sous certaines conditions. Aussi le Comité National d'organisation des 50 ans du laser place l'expertise scientifique au Laboratoire de Physique des Lasers, qui assistera les artistes pour spécifier les puissances lasers et les types de lasers à choisir, et garantir le fonctionnement opérationnel de l'expérience. La certification sécurité laser pour une opération de l'instrument dans un lieu ouvert au public est impérative et sera confiée à un cabinet d'experts. Il faudra veiller en particulier à ce qu'en cas de panne des pompes à eau, aucun rayonnement laser ne puisse heurter directement les yeux d'une personne physique. La réalisation de l'expérience est impérativement avant juin Le projet de l'artiste, exposé sous forme d'un dossier papier, devra être déposé avant le 28 décembre la décision du jury sera notifiée par courrier au mois de janvier Les contours du projet sont laissés volontairement souples, afin de favoriser des projets originaux. Aussi il est très vivement recommandé aux candidats de visiter le Laboratoire de Physique des Lasers et leur fontaine laser, et de prendre contact avec les responsables du projet. Contacts : Responsables Paul-Eric Pottie, pottie@univ-paris13.fr, Brigitte Macon-Bogaert : contact@sciencesessonne.fr, Contacts au Laboratoire de Physique des Lasers : christophe.daussy@univ-paris13.fr sebastien.forget@univ-paris13.fr 8/9

9 Budget Le financement de l'opération n'est pas assuré à ce jour. Nous pouvons donner à titre indicatif un budget provisoire des principaux postes de dépenses : Nature Coût (k HT) Matériel Sources Laser et autres sources lumineuses (incohérentes) 20 Matériel d'optique passive 5 Matériel décoratif, pompes et matériaux 3 Prestations Construction (dont rémunération de l'artiste) Total hors Rémunération Total Nota Bene : Le budget pourra être ré-évalué en fonction du projet proposé par l'artiste et en fonction du montant des financement effectivement obtenus, en particulier pour le poste «Sources laser et autres sources lumineuses». Nous insistons ici encore pour recommander fortement une prise de contact avec les responsables du projet. 9/9