OPTOMéCANIQUE DOSSIER
OPTOMÉCANIQUE : SCIENCE ET CAPTEURS
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Ivan FAVERO *
Matériaux et Phénomènes Quantiques , Université Paris Cité , CNRS , Paris , France * ivan . favero @ u-paris . fr
La science de l ’ optomécanique , qui étudie le couplage de la lumière au mouvement de systèmes mécaniques , a connu un essor inattendu depuis 20 ans . À présent miniaturisés , les résonateurs optomécaniques mesurent des signaux physiques avec une sensibilité et une bande-passante remarquables . Ces technologies de capteurs optomécaniques impactent aujourd ’ hui la science de la matière , qu ’ elle soit solide , liquide ou vivante . https :// doi . org / 10.1051 / photon / 202412933
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LUMIÈRE ET MÉCANIQUE La lumière exerce une action mécanique sur les corps , c ’ est un concept central de l ’ optomécanique . Si ce concept est depuis longtemps ancré chez l ’ opticien qui a piégé un atome ou une micro-bille dans une pince laser , il l ’ est moins à une échelle plus macroscopique , où les effets mécaniques de la lumière restent modestes en regard de l ’ inertie des corps . Au laboratoire , seules des expériences délicates , appuyées sur une technologie finement maîtrisée , permettent d ’ observer les effets mécaniques de la lumière à cette échelle . De telles expériences ont été développées pour sonder les limites fondamentales de la mesure optique dans un interféromètre .
L ’ interférence produite par la lumière cohérente d ’ un laser se réfléchissant entre deux interfaces est un outil de choix pour détecter les mouvements relatifs de ces interfaces . Si ces interfaces sont des miroirs hautement réfléchissants , permettant à la lumière de parcourir de nombreuses fois le chemin où se forme l ’ interférence , on obtient un interféromètre ultra-sensible . Un flux de lumière important à travers cet instrument , permettant d ’ acquérir l ’ information à un taux plus rapide que les perturbations extérieures ( vibrations externes , variations de température , bruit thermique ), autorise alors des sensibilités ultimes au mouvement relatif des objets . C ’ est l ’ approche retenue il y a plus de 40 ans maintenant pour détecter le passage d ’ ondes gravitationnelles sur terre , qui produisent d ’ infimes déformations d ’ un tel interféromètre , de l ’ ordre de 10 -20 . Pour atteindre la sensibilité nécessaire à la mesure de si petits effets , le flux de lumière dans l ’ interféromètre doit être colossal , typiquement supérieur au kilowatt . A ces niveaux de puissance , les effets mécaniques de la lumière ne peuvent plus être ignorés : la lumière peut déplacer les miroirs en bout d ’ interféromètre . On accède alors à un second niveau de lecture : la lumière qui effectue la mesure perturbe l ’ instrument de mesure même . Ce problème circulaire entre mesure et rétro-action sur la mesure a été au cœur des développements historiques en optomécanique . A ce titre , on peut considérer que les détecteurs d ’ ondes gravitationnelles sont les premiers instruments optomécaniques , et ils ont d ’ ailleurs servi de matrice aux concepts du domaine . Les miroirs suspendus dans ces détecteurs oscillent à des fréquences propres de l ’ ordre du Hertz . Aujourd ’ hui , le système optomécanique canonique prend plutôt la forme d ’ une
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