Brevet FR3113540A1 — publié le 20220225

Dispositif de génération d’un rayonnement électromagnétique cohérent Dispositif (1) de génération d’un rayonnement électromagnétique, comportant : - au moins un support (3) ; - plus de 1000 charges (2), magnétiques et/ou électriques, fixées sur le support et/ou en suspension dans un fluide contenu dans le support, et - un actionneur (7) couplé au support de manière à mettre en rotation le support autour d’un axe Z, à une vitesse constante supérieure à 100 tours par seconde, de préférence à 1000 tours par seconde, et/ou inférieure à 100 000 tours par seconde. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Dispositif de génération d’un rayonnement électromagnétique cohérent La présente invention concerne le domaine de la génération d’un rayonnement électromagnétique par le déplacement de charges électriques ou magnétiques, en particulier pour générer un rayonnement monochrome. L’invention vise plus particulièrement à fournir un dispositif de génération d’un rayonnement électromagnétique monochromatique dont la longueur d’onde peut être sélectionnée. Les applications concernées par l’invention peuvent notamment comprendre le domaine des télécommunications et de l’imagerie. Par « rayonnement électromagnétique monochromatique » ou « rayonnement électromagnétique cohérent » ou « temporellement cohérent », on entend une lumière dont le spectre est étroit, par exemple ayant une largeur à mi-hauteur inférieure à 40 % de la longueur d’onde sur laquelle le spectre est centré. Par « charge », on entend un élément comportant une charge pouvant être soit électrique soit magnétique. Il est connu de générer un rayonnement électromagnétique monochromatique (ou temporellement cohérent) au moyen de lasers. Différentes technologies de lasers existent. Les lasers à gaz, c’est-à-dire dont le milieu amplificateur est un gaz, émettent typiquement un faisceau ayant une grande cohérence à la fois spatiale et temporelle, mais dont la longueur d’onde est déterminée par le choix du gaz. Les lasers cristallins, qui utilisent des milieux amplificateurs solides, permettent d’obtenir un rayonnement de puissance élevée mais dont la longueur d’onde est également déterminée par la configuration du milieu amplificateur. D’autres types de lasers (à fibre, à colorants, à semi-conducteur) sont également répandus. Opérant de manière différente de ces lasers, le laser à électrons libres permet de produire un rayonnement cohérent non à partir de photons émis par la désexcitation d’atomes mais grâce au rayonnement synchrotron émis par des électrons accélérés. En faisant varier la vitesse des électrons, il est possible d’ajuster la longueur d’onde du rayonnement obtenu sur une large gamme allant de l’infrarouge lointain aux rayons X. Un laser à électrons libres a donc l’avantage d’être assez polyvalent. Cependant, il est peu pratique à mettre en œuvre puisqu’un accélérateur de particules est nécessaire à son fonctionnement. La demande de brevet EP 1515404 A2 porte sur un procédé de génération d’un rayonnement électromagnétique cohérent de fréquence comprise entre 1 GHz et 10 THz. Le procédé se fonde sur l’utilisation d’un aimant moléculaire (poly)cristallin soumis à un champ magnétique pour provoquer une inversion de population menant à l’émission d’un rayonnement cohérent. Toutefois, ce procédé requiert la mise en œuvre d’un refroidissement à de très basses températures comprises entre 1 K et quelques dizaines de K. Il existe donc un besoin pour une solution de génération de rayonnement monochromatique dont la mise en œuvre soit moins complexe et/ou plus polyvalente en comparaison aux solutions existantes. Un but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin. Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif de génération d’un rayonnement électromagnétique, comportant : - au moins un support ; - plus de 1000 charges, magnétiques et/ou électriques, fixées sur le support et/ou en suspension dans un fluide contenu dans le support, et - un actionneur couplé au support de manière à mettre en rotation le support autour d’un axe Z, à une vitesse constante supérieure 100 tours par seconde à et/ou inférieure à 100 000 tours par seconde. La mise en rotation des charges à une vitesse constante permet avantageusement de générer, de manière simple, un rayonnement électromagnétique monochrome, dont la longueur d’onde peut avantageusement être choisie en faisant varier la vitesse de rotation des charges. Par ailleurs, une simple modification de la vitesse de rotation permet de modifier la fréquence du rayonnement monochromatique, ce qui permet de générer facilement une large gamme de longueurs d’onde allant du domaine radio au domaine visible. Sans être lié par cette théorie, l’inventeur exploite le fait que lorsqu’une charge est mise en rotation autour d’un centre fixe, à vitesse angulaire constante, les variations du champ électromagnétique généré par la charge sont de nature sinusoïdale telles qu’observées dans le plan de révolution. La longueur d’onde du signal produit par les variations du champ électromagnétique est déterminée en particulier par la vitesse angulaire de la charge. Plus précisément, la longueur d’onde L est proportionnelle à c/ω, où c représente la vitesse de la lumière dans le vide et ω est la vitesse angulaire de la charge. Ainsi, des ondes électromagnétiques de longueur d’onde dépendant de la vitesse de rotation du dispositif peuvent être générées. Un dispositif peut encore comporte une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : les charges sont réparties le long d’un cercle centré sur l’axe Z ; le dispositif comporte un miroir annulaire concave d’axe Z conformé pour réfléchir un rayonnement électromagnétique généré par les charges lorsqu’elles sont en rotation autour de l’axe Z, de manière à concentrer ledit rayonnement en un foyer, de préférence sur l’axe Z ; le dispositif comporte au moins un élément optique configuré pour produire un faisceau parallèle à partir du rayonnement réfléchi par le miroir annulaire concave, de préférence une lentille divergente ; les charges sont réparties de manière régulière dans l’espace ; les charges sont des aimants permanents ; les charges ayant une plus grande dimension inférieure à 10 µm, de préférence inférieure à 500 nm ; les charges sont des ions ou des macromolécules électriquement chargées ; le dispositif comporte au moins deux supports tournant, des vitesses différentes autour de l’axe Z ; l’actionneur est adapté pour mettre le support en rotation à une vitesse supérieure à 1000 tours par seconde. L’invention concerne également une utilisation du dispositif selon l’invention, le dispositif comportant plusieurs supports mis en rotation à des vitesses angulaires différentes. La figure 1 est une vue schématique, selon l’axe Z de rotation du support, d’un dispositif selon l’invention dans une première configuration. La figure 1A représente le dispositif de la figure 1 vu selon un axe Y perpendiculaire à l’axe Z. La figure 2 est une vue schématique d’un dispositif selon l’invention dans une seconde configuration. La figure 2A représente le dispositif de la figure 2 selon un angle de vue différent. La figure 3 illustre un autre aspect d’un système de régulation selon l’invention. La figure 3A représente le dispositif de la figure 3 selon un angle de vue différent. La figure 4 est un schéma synoptique d’un boîtier d’alimentation conforme à l’invention sous la forme la plus complexe et performante pour alimenter électriquement un système de régulation selon l’invention. La figure 4A représente le dispositif de la figure 4 selon un angle de vue différent. La figure 5 est un graphique représentant l’évolution du champ électromagnétique généré par un dispositif selon l’invention tel que perçu par un observateur. La figure 6 illustre un mode de réalisation préférentiel du dispositif selon l’invention. La figure 7 représente un mode de réalisation préférentiel du dispositif selon l’invention. La figure 8 représente le dispositif de la figure 7 selon un angle de vue différent. Description détaillée Dispositif On a illustré schématiquement en figures 1 à 4A un dispositif 1 selon l’invention dans différentes configurations de son fonctionnement. Le dispositif 1, représenté dans un repère orthonormé Oxyz, comporte des charges 2, un support 3, en l’occurrence sous la forme d’un anneau d’axe Z, portant les charges 2 et un actionneur 7 (non illustré en figures 1 à 4A mais représenté en figure 8) couplé au support pour le mettre en rotation autour de l’axe Z. Dans un souci de clarté, seule une unique charge 2 est représentée. Toutefois, afin d’obtenir un signal d’intensité suffisante, le nombre de charges portées par l’au moins un support est supérieur à 1 000, de préférence supérieur à 10 000, et/ou inférieur à 10 000 000. Les champs électrique et magnétique étant localement orthogonaux en tous points, des charges électriques aussi bien que des charges magnétiques peuvent être utilisées dans le dispositif. De préférence, les charges sont des charges magnétiques, de préférence des aimants permanents. L’intensité du champ magnétique généré par un aimant permanent peut par exemple être inférieure ou égale à 10 -10 T. Les charges peuvent également être des charges électriques, de préférence des ions ou des macromolécules. En particulier, des matériaux magnétisés tels que de la ferrite permettent d’obtenir des charges de dimensions réduites, par exemple dont la plus grande dimension est inférieure à 10 µm, de préférence inférieure à 1 µm, à 500 nm, à 400 nm, à 200 nm et/ou supérieure à 10 nm, de préférence d’environ 100 nm. Par « plus grande dimension d’une charge », on entend le diamètre de la plus petite sphère circonscrivant la charge. Les charges sont fixées sur le support par exemple par soudure, par sertissage ou par collage. Le support est de préférence en un matériau solide et léger, tel que l’aluminium ou une matière plastique adaptée. Le support peut présenter une forme quelconque. De préférence, il présente une forme de révolution autour de l’axe Z. De préférence, les charges sont coplanaires, et de préférence disposées dans un plan perpendiculaire à l’axe Z. Elles sont de préférence écartées de l’axe Z d’une distance supérieure à 1 cm, de préférence supérieure à 3 cm, et/ou inférieure à 10cm, de préférence inférieure à 7 cm. Dans un mode de réalisation, elles sont toutes à la même distance de l’axe Z, de préférence sur un même cercle d’axe Z. De préférence encore, les charges sont réparties de manière régulière le long de ce cercle. D’autres répartitions des charges sont toutefois envisageables. De préférence, l’épaisseur du support, mesurée selon l’axe Z est supérieure à 0,1 mm et/ou inférieure à 10 cm. L’épaisseur du support peut encore être supérieure à un millième de la distance entre l’axe Z et les charges et/ou inférieure à un dixième de cette distance. L’actionneur est de préférence un moteur électrique couplé au support pour assurer sa rotation à une vitesse angulaire constante et de préférence supérieure à 100 tours par seconde, de manière plus préférentielle supérieure à 1000 tours par seconde et/ou inférieure à 100 000 tours par seconde. Tous les actionneurs adaptés pour une telle rotation peuvent être utilisés. Le dispositif peut, à titre d’exemple, comporter un support comprenant 300 000 charges réparties équi-angulairement le long d’un cercle de diamètre 5 cm. Le support peut être mis en rotation à une vitesse angulaire de 1000 tours par seconde pour produire un rayonnement monochromatique de longueur d’onde de l’ordre du mètre. Dans cet exemple, chaque charge a une taille caractéristique de l’ordre de 100 nm. Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte au moins deux supports concentriques, dans un plan orthogonal à l’axe Z, comme illustré sur la figure 6. De préférence, la pluralité de charges 2 est répartie de manière régulière, c’est-à-dire équidistantes, les unes des autres le long de chacun des deux cercles sur deux supports 3 d’axe Z. Les supports peuvent être mis en rotation à la même vitesse angulaire ou à des vitesses angulaires différentes, optionnellement dans des sens opposés. Le dispositif génère alors plusieurs rayonnements monochromatiques chacun de longueur d’onde différente. Selon le mode de réalisation préféré illustré en figures 7 et 8, le dispositif 1 comporte également un miroir annulaire concave 5 agencé autour du support 3. La face réfléchissante du miroir 5 est tournée vers le support 3 et les charges 2. Le miroir 5 est configuré de sorte que le rayonnement généré par les charges 2 soit réfléchi vers un unique foyer F. De préférence, dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comporte également un élément optique 6, tel qu’une lentille divergente. La lentille divergente est configurée de sorte à rediriger le rayonnement réfléchi par le miroir 5 pour générer un faisceau parallèle. Le dispositif selon l’invention est adapté pour générer un rayonnement dont la longueur d’onde peut être choisie entre le domaine radio et le domaine visible, par exemple entre 300 nm et 10 m. Les matériaux du miroir et de l’élément optique sont avantageusement choisis en fonction des longueurs d’onde désirées. Fonctionnement La flèche v r représente le vecteur vitesse de la charge 2. La vitesse angulaire des charges est égale à la vitesse angulaire du support, qui est mis en rotation par un moyen adapté non représenté. Les figures 2, 2A, 3, 3A, 4, 4A représentent l’évolution du dispositif 1 à différents moments d’une rotation complète du support 3. La figure 5 représente l’évolution du champ électromagnétique généré par la charge 2 telle qu’observée par l’observateur 4. Comme visible en figure 5, le dispositif 1 génère un signal de longueur d’onde L, qui dépend de la vitesse angulaire des charges 2. Ainsi, en faisant varier la vitesse angulaire des charges, l’invention permet avantageusement de générer un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde choisie. Les références (0), (1), (2, (3) de la figure 5 dénotent la valeur du champ électromagnétique observé par l’observateur 4 respectivement dans les configurations des figures 1, 2, 3, 4. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. En particulier, le support peut contenir un fluide, au moins une partie des charges étant en suspension dans ce fluide. Le fluide peut être un liquide ou un gaz. Dispositif (1) de génération d’un rayonnement électromagnétique, comportant : - au moins un support (3) ; - plus de 1000 charges (2), magnétiques et/ou électriques, fixées sur le support et/ou en suspension dans un fluide contenu dans le support, et - un actionneur (7) couplé au support de manière à mettre en rotation le support autour d’un axe Z, à une vitesse constante supérieure à 100 tours par seconde, de préférence à 1000 tours par seconde, et/ou inférieure à 100 000 tours par seconde. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les charges sont réparties le long d’un cercle centré sur l’axe Z. Dispositif selon la revendication immédiatement précédente, comportant un miroir annulaire concave (5) d’axe Z conformé pour réfléchir un rayonnement électromagnétique généré par les charges lorsqu’elles sont en rotation autour de l’axe Z, de manière à concentrer ledit rayonnement en un foyer, de préférence sur l’axe Z. Dispositif selon la revendication immédiatement précédente, comportant au moins un élément optique (6) configuré pour produire un faisceau parallèle à partir du rayonnement réfléchi par le miroir annulaire concave, de préférence une lentille divergente. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les charges sont réparties de manière régulière dans l’espace. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les charges étant des aimants permanents. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, les charges étant des ions et/ou des macromolécules électriquement chargées. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les charges ayant une plus grande dimension inférieure à 10 µm. Dispositif selon la revendication immédiatement précédente, les charges ayant une plus grande dimension inférieure à 500 nm. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins deux supports (3) tournant, des vitesses différentes autour de l’axe Z.