Exemplo de efeito não linear que pode ser observado em uma fibra óptica. Todas as cores do arco-íris são geradas na saída, enquanto apenas uma cor está presente na entrada. Estamos falando sobre supercontínuo. Autor fornecido
Físicos da Universidade de Lille, em colaboração com a Universidade de Ferrara, na Itália, introduziram um rio em um laboratório óptico ... Eles acabaram de observar a ruptura de uma barreira de fótons em uma fibra óptica, fenômeno diretamente comparável ao rompimento de uma barragem colocada no leito de um rio.
Nós e nossos colegas aproveitamos a analogia entre a propagação de ondas em rios e a propagação de pulsos de luz em fibras ópticas para estudar em detalhes a formação da onda que se desdobra imediatamente após o rompimento de uma barragem em um rio. E isto, confortavelmente instalado em nosso laboratório óptico sem risco.
Gotas de água em uma fibra óptica?
É mais do que uma analogia:sob certas condições, as equações que governam a propagação dessas ondas são estritamente idênticas para cada um desses meios. É, portanto, surpreendente que o comportamento desses dois sistemas físicos, a priori completamente diferente, é idêntico. Mais precisamente, mostramos que as minúsculas gotas de água presas atrás da barragem se comportam como grãos de luz - os fótons - de um feixe de laser quando se propagam em uma fibra óptica. Ressaltamos que essa analogia foi usada há mais de dez anos para estudar a formação de ondas traiçoeiras.
A situação que estudamos é completamente diferente. É uma barragem colocada no leito de um rio que quebra repentinamente (nada a ver com uma onda violenta). A fim de imitar a ruptura de uma barragem em uma fibra óptica, Físicos franceses e italianos injetaram em uma fibra um feixe de laser cujas variações de intensidade em relação ao tempo correspondem à diferença dos níveis de água localizados a montante e a jusante da barragem.
Ruptura de barragem com base em simulações numéricas em um rio / fibra ótica.
Para fazer isso, o laser é forçado a emitir uma explosão de luz na forma de um degrau de escada, o nível das etapas correspondentes à luminosidade do laser. Um primeiro passo, de intensidade muito baixa seguida por um segundo de intensidade luminosa muito forte. Os níveis de intensidade da luz são semelhantes aos níveis da água do rio. É importante enfatizar que para que a correspondência seja válida é essencial que a transição seja extremamente rápida entre essas duas etapas:geralmente 20 picossegundos ou 20 bilionésimos de milissegundo, o que torna esses experimentos muito complicados tanto para a geração dos sinais quanto para sua caracterização. Dispositivos de alto desempenho são necessários para atingir esse nível de precisão.
Pulsos de escada
Durante sua propagação na fibra óptica, a aparência temporal do pulso de laser, inicialmente no degrau da escada, é modificado porque, por um lado, novas cores são geradas e, por outro lado, essas cores não viajam na mesma velocidade. A transição repentina entre essas duas etapas evolui gradual e inextricavelmente em direção a uma transição mais suave. A barragem está quebrada! A onda que se desenrola conduz pela geração de uma onda de choque e uma onda de rarefação que conectam as duas escadas.
Essas duas ondas fornecem a transição entre os dois níveis de intensidade no quadro do laser, ou ambos os níveis de água em uma barragem em um rio. Vamos enfatizar, é importante, que o conjunto de observações experimentais foi validado por simulações numéricas. Isso confirma que o modelo usado descreve precisamente o fenômeno e, portanto, reforça a força da analogia.
A principal diferença reside no fato de que, na óptica, a evolução ocorre ao longo do comprimento da fibra, enquanto no caso de um rio, o parâmetro de evolução é o tempo. Assim, seguir a formação da onda após o rompimento de uma barragem, é necessário registrar a forma temporal do laser para diferentes comprimentos de fibra, conforme mostrado na figura abaixo.
Equipamento da torre de desenho de fibra óptica Fibretech Lille.
Ao contrário de quebrar uma barragem em um rio, o experimento realizado em um laboratório óptico é isento de riscos, repetível e o conjunto de parâmetros ajustados com precisão. Na verdade, é muito fácil mudar a potência do laser, sua cor ou o tipo de fibra óptica. Assim, é possível fazer a varredura de uma ampla gama de parâmetros para alcançar uma boa compreensão do fenômeno (usamos o FibreTech Lille torre de desenho do laboratório PHLAM, baseado no IRCICA para desenvolver e fabricar fibras ópticas otimizadas para este experimento).
Abordagem científica e perspectivas
Por causa da analogia formal entre esses dois domínios, todas as conclusões e interpretações podem ser transpostas para o caso do rompimento de uma barragem em um rio. Este trabalho constitui a primeira validação experimental de previsões baseadas em uma célebre teoria desenvolvida pelo matemático G.B. Whitham há várias décadas e o sistema experimental implementado nos permitirá estudar um problema mais geral proposto pelo famoso matemático Riemann no século XIX.
Finalmente, este trabalho ilustra a abordagem que os físicos seguem na vida cotidiana. Eles desenvolvem os modelos mais universais possíveis para descrever e prever o que é observado na natureza, colaborando com especialistas de diferentes países.
O artigo foi publicado na revista Physical Review Letters, intitulado "Fluxo Dispersivo de Quebra de Represa de um Fluido de Fóton".
Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original. 
