Paris, 9 octobre 2015
Concevoir plus rapidement de meilleurs catalyseurs

C'est une étape clé vers des véhicules à hydrogène démocratisés, des pots catalytiques plus efficaces, des usines plus propres... Des chercheurs ont mis au point une méthode simple et rapide pour améliorer l'efficacité d'une famille de catalyseurs, ces composés, indispensables à l'industrie, qui facilitent les réactions chimiques. Cette avancée est le fruit d'une collaboration entre chimistes théoriciens du Laboratoire de chimie de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) et de l'université de Leiden (Pays-Bas), et chimistes expérimentateurs de l'université technique de Munich et de l'université de la Ruhr à Bochum (Allemagne). Leurs travaux sont publiés dans la revue Science le 9 octobre 2015.
Les catalyseurs sont des substances ou des matériaux qui, par leur interaction avec des réactifs, minimisent l'énergie nécessaire aux réactions chimiques et favorisent la formation des produits désirés. L'industrie chimique en dépend presque entièrement, et il en résulte un surplus commercial estimé à 50 milliards d'euros en Europe1. Au-delà de l'aspect économique, les dispositifs catalytiques tels que ceux embarqués dans les pots d'échappement des véhicules diminuent l'impact polluant des moteurs à combustion. En outre, si peu de voitures équipées de piles à hydrogène2 ont été lancées sur le marché alors qu'elles n'émettent pas de gaz à effet de serre, c'est notamment parce que les catalyseurs de piles à combustible ne sont pas encore véritablement au point s'agissant de leur fonctionnement dans la durée. Développer des catalyseurs plus efficaces est donc un enjeu de taille.

Les catalyseurs sont souvent constitués de petites particules métalliques de quelques nanomètres de diamètre. Leur efficacité dépend de leur taille, de leur forme et de leur composition chimique. Jusqu'à présent, pour améliorer un catalyseur, les chimistes n'avaient à leur disposition qu'un indice : la force d'interaction optimale entre le réactif et le catalyseur. Ensuite, ils devaient procéder par tâtonnement, faute de relation entre cette valeur et la structure que devaient présenter les particules de catalyseur pour l'atteindre. Il leur fallait passer en revue de grandes bases de données à la recherche des meilleurs candidats, puis tester de nombreuses possibilités de structure du matériau jusqu'à parvenir à la force d'interaction adéquate.

Aujourd'hui, une équipe internationale de chimistes a mis au point une nouvelle approche, permettant de déterminer la structure optimale du site catalytique (site d'interaction entre le catalyseur et le réactif), pour un catalyseur de composition chimique donnée (par exemple, du platine). Et cette approche repose sur un concept chimique simple : le nombre de coordination, qui désigne le nombre de voisins d'un atome appartenant au catalyseur et qui se calcule simplement en les décomptant. En effet, les chercheurs ont montré qu'il existe une relation entre l'activité d'un site catalytique et ce nombre de coordination (voir figure).

Ils ont ensuite validé expérimentalement cette approche en concevant un nouveau type de catalyseur au platine pouvant être utilisé dans les piles à combustible. L'efficacité maximale a été prédite pour des sites avec un nombre de coordination plus élevé que pour le catalyseur de référence, c'est-à-dire situés dans une cavité creusée dans la surface de platine. Après avoir créé des cavités sur une surface modèle de platine par trois méthodes différentes, les résultats ont été sans appel : l'efficacité catalytique a été multipliée jusqu'à 3,5 fois.

Ces travaux devraient donc permettre de diminuer les temps de développement de catalyseurs. Ils ouvrent la voie au développement de piles à combustible commercialement performantes, à une utilisation plus large de l'hydrogène comme carburant propre et plus généralement, à terme, à l'optimisation de nombreux processus industriels.

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Gérard Paget - 3/12/2010

André Seznec : défier les lois de l'informatique

André Seznec © INRIA / Photo G. Favier - Agence Vu
Depuis 1983, André Seznec concentre ses recherches sur l'architecture des ordinateurs. Avec son équipe commune Inria - Université de Rennes 1, ce chercheur reconnu travaille sur l'augmentation des performances et la "démocratisation" des architectures parallèles. Il vient de recevoir pour cela la bourse européenne ERC dans la catégorie "chercheur confirmé". Rencontre avec le scientifique.

Quel est le projet pour lequel vous avez été récompensé par l’ERC ?
André Seznec :  Le projet que j'ai présenté à l'ERC s'intitule DAL, Defying Amdahl's Law, ce qui signifie : défier la loi d'Amdahl. Cette loi est la simple observation que le temps d'exécution d'une application ne peut pas être plus court que l'exécution de sa partie séquentielle. Les processeurs multi-cœurs sont aujourd'hui partout présents dans les systèmes informatiques : serveurs, ordinateurs de bureau, ordinateurs portables, mais aussi téléphones intelligents, télévision et tous les systèmes embarqués. En 2020, il sera technologiquement possible d’intégrer des multi-cœurs à plus de 100 coeurs sur un seul composant. Cependant, tout indique que la programmation séquentielle sera toujours prédominante. La loi d'Amdahl nous montre ainsi que de hautes performances sur le code séquentiel sont une condition nécessaire pour permettre de hautes performances sur toute l'application. Mais au lieu de travailler à améliorer l'architecture de la prochaine génération multi-cœurs, pour le projet DAL, nous avons choisi délibérément de devancer ces prochaines générations. Pour l’équipe ALF, « défier la loi d'Amdahl », c'est proposer pour les architectures des "manycoeurs" de 2020, des mécanismes matériels et/ou logiciels permettant d'obtenir de très hautes performances sur les applications séquentielles et sur les sections séquentielles des applications parallèles.

Que va permettre cette subvention  ERC ?
André Seznec :  L'attribution de l'ERC advanced grant  représente d'abord pour moi la reconnaissance des travaux que j'ai menés tout au long de ma carrière. Cette attribution exprime aussi la confiance que l’on m’accorde quant à la vision que j'ai exprimée dans la proposition DAL. La subvention ERC s'étend par ailleurs sur 5 ans. Elle offre donc une réelle autonomie financière à toute une équipe sur une période donnée. Il est depuis longtemps difficile de trouver des financements pour des sujets de recherche en microarchitecture haute performance. Grâce à la subvention ERC, je vais intégrer dans notre équipe plusieurs doctorants et post-doctorants sur des sujets de microarchitecture sans avoir à me lancer à la quête d'autres financements. Je vais également avoir la possibilité d’inviter des collègues pour des séjours de collaborations de 2 à 3 mois. Enfin, cette bourse me permettra de financer des moyens de calcul dont nous avons besoin pour nos recherches.

Son parcours

Après son Doctorat en sciences informatiques de l'Université de Rennes I, André Seznec rejoint le centre de recherche d'Inria de Rennes en 1986. Dès1994, il devient directeur de recherche et responsable de l'équipe-projet CAPS (Compilateur, architecture parallèle et systèmes) jusqu'en 2008. En 2009, il créé l'équipe ALF qu'il dirige actuellement. De 1999 à 2000, il passe une année dans les laboratoires du constructeur Compaq dans le Massachusetts.

Au début de sa carrière, André Seznec travaille sur les architectures de supercalculateurs destinés à des applications scientifiques. En collaboration avec d'autres membres de son équipe, il travaille à la conception de logiciels de calcul haute performance ou la simulation d’architecture. À partir de 2002, en collaboration avec un expert en cryptographie, il conçoit un générateur de nombres aléatoires imprévisibles. Depuis 1991, sa principale activité de recherche porte sur l'architecture des microprocesseurs. Il a notamment travaillé sur le pipeline, le multithreading et les multi-coeurs. Ses contributions les plus reconnues portent sur sur la structure des mémoires caches et des prédicteurs de branchement.

Tout au long de son parcours, André Seznec a encadré 15 thèses de doctorat, publié plus de 20 articles dans des journaux internationaux et présenté 40 papiers dans les plus grandes conférences consacrées à l'architecture informatique, dont 13  lors des "International Symposium on Computer Architecture (ISCA). En 2010,il a présidé la conférence ISCA à Saint-Malo.

Lauréats 2010

Dans la catégorie "Jeunes chercheurs", Axel Hutt (Cortex, Nancy), Paola Goatin (Opale, Sophia Antipolis), Pierre Alliez (Geometrica, Sophia Antipolis), Kartikeyan Bhargavan (Moscova, Rocquencourt), Véronique Cortier (Cassis, Nancy), Nikos Paragios (Galen, Saclay) ont reçu une bourse qui leur permettra de constituer une équipe. Dans la catégorie "Chercheurs confirmés", Jean Ponce (Willow, Rocquencourt) et André Seznec (Alf, Rennes) sont lauréats et ont choisi l'Inria pour poursuivre leurs travaux.

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UNE INVENTION RÉVOLUTIONNAIRE PERMETTRAIT DE GÉNÉRER DE L’ÉLECTRICITÉ GRÂCE À DES AIMANTS
THOMAS ALLAUME | 25 septembre, 2015 at 16:01

L’invention est française, plus exactement de Luc Besançon, le patron de LM-W9, une start-up qui a élu domicile à Aubagne. Il aurait mis au point sur papier, un générateur qui ne consomme aucune énergie, un avantage majeur, qui permet par conséquent, de plus au générateur de ne pas polluer.

On pourrait croire à un enjolivement médiatique et à un buzz orchestré par la start-up, mais pas du tout ! Bien au contraire, le monde de l’énergie prend très au sérieux la trouvaille de Luc Besançon, si bien que Jérôme Guillen, vice-président en charge des ventes mondiales de Tesla Motors, a été missionné par Elon Musk afin d’aller examiner l’invention de notre chercheur. Un premier prototype est en cours d’assemblage, le générateur baptisé LLW9 adopte la forme d’un cylindre de 2 mètres de long.

À l’intérieur, des aimants disposés en demi-lune permettent de réaliser des phénomènes classiques de répulsion — attraction, qui font tourner le cylindre, relié à un générateur qui fonctionne sous le principe d’une dynamo, cela permettrait de produire de l’énergie, cette technique est le système classique mis au point dans les usines. D’après Luc Besançon : « Le fabricant d’aimants avec qui je travaille estime que je perdrai peut-être 15 % de force magnétique après vingt ans d’utilisation ». Pour poursuivre son projet, il essaie de lever 250.000 euros grâce à l’institut privé IIDSRSI (Institut International pour le Soutien à la Recherche Scientifique Innovante) de Sophia-Antipolis, la moitié des fonds ayant déjà été levés.

Pourquoi Tesla soutiendrait ce projet ? Car Elon Musk investit beaucoup dans l’énergie, l’un de ses projets phares est le « Powerwall », un mur de batteries lithium-ion, rechargées par des énergies renouvelables pour permettre une indépendance des habitations sur le plan énergétique, la combinaison Powerwall — LLW9 serait alors la combinaison parfaite. EDF a déjà présélectionné le projet LLW9 pour le prix Pulse, son concours d’innovation qui se tiendra en 2016. D’autres grands noms de l’industrie et de l’énergie semblent intéresser par le LLW9 : Schneider Electric, Alstom, Vinci Energie… De son côté, la France a annoncé que le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) souhaiterait expertiser le prototype dans son centre de Cadarache.

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OPTIQUE
PHYSIQUE
1. L'optique, branche fondamentale de la physique
2. Les domaines de l'optique
3. Histoire de l'optique
3.1. Les premiers traités
3.2. Les premiers instruments de l'optique géométrique
3.3. De nouveaux phénomènes en nouvelles théories
3.4. Les nouvelles applications de l’optique
4. Lois, principes et systèmes optiques
4.1. L'optique géométrique
4.1.1. Loi de Snell-Descartes sur la réflexion
4.1.2. Loi de Snell-Descartes sur la réfraction
4.2. L'optique physique
4.3. L'optique non linéaire
5. Unités optiques
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optique

Partie de la physique qui traite des lois de la lumière et des phénomènes de la vision ainsi que des phénomènes mettant en jeu des rayonnements présentant des analogies avec la lumière (radiations infrarouges, ultraviolettes, ondes courtes, ultrasons, électrons, etc.).
PHYSIQUE

1. L'optique, branche fondamentale de la physique

L'optique, qui étudie les propriétés de la lumière et tente de les interpréter, se présente à la fois comme science et comme ensemble de techniques. Cela a permis aussi bien les progrès de la discipline, dont la compréhension des phénomènes lumineux s'est approfondie, que la réalisation d'une instrumentation qui a conduit à la découverte du plus grand et du plus lointain comme du plus petit.
2. Les domaines de l'optique

arc-en-ciel
On distingue l'optique géométrique et l'optique physique. La première est une étude des propriétés de la lumière, développée à partir de principes fondamentaux (propagation rectiligne, lois de la réflexion et de la réfraction), sans qu'il soit fait d'hypothèses sur sa nature. La seconde comporte l'interprétation de ces propriétés par la connaissance de cette nature ; elle se divise elle-même en optique ondulatoire, la lumière étant considérée comme formée par la vibration d'un champ électromagnétique qui se propage (→ onde), et en optique corpusculaire, la lumière étant considérée comme formée de photons. Enfin, pour expliquer des phénomènes particuliers découverts récemment, les physiciens ont créé une nouvelle branche, l'optique non linéaire, pour laquelle les propriétés de la lumière ne sont plus linéaires.
3. Histoire de l'optique

Dans l'Antiquité, on considère que le rayon lumineux émane de l'œil, la vision étant due au retour du rayon. Ce n'est qu'au début du Moyen Âge, avec Ibn al-Haytham, que l'on comprend que la lumière émane de l'objet.
3.1. Les premiers traités

René Descartes, Discours de la méthode : la Dioptrique  René Descartes, page de titre du Discours de la méthode
À partir de la conception de la propagation rectiligne de la lumière va s'édifier une optique géométrique. L'école platonicienne (→ Platon) connaît déjà les lois de la réflexion. Ptolémée, dans son Optique, traite de la réfraction et mesure la déviation du rayon dans divers cas (air/eau, air/verre). Mais la loi de la réfraction ne sera trouvée qu'au début du xviie s., par Snel Van Royen. Elle sera largement exploitée par Descartes, qui croira, à tort, avoir démontré que la lumière se propage dans un milieu dense avec une vitesse plus grande que dans l'air, alors que c'est l'inverse qui est vrai, comme le montrera Fermat.
Pierre de Fermat
Auparavant, l'optique géométrique a été développée surtout par Ibn al-Haytham, dont le Traité d'optique connaît une grande diffusion en Europe occidentale. De cette optique relève l'explication de l'arc-en-ciel par des réflexions et réfractions de la lumière dans les gouttes d'eau. Amorcée au Moyen Âge, cette théorie reçoit de remarquables développements de la part de Descartes, mais ne sera complètement achevée que de nos jours.
3.2. Les premiers instruments de l'optique géométrique


Jean Siméon Chardin, Autoportrait aux bésiclesFormation d'une image dans un miroirTrajet d'un rayon lumineux dans un prismeConstruction des imagesLentilles minces
Vers 1550 sont repris des travaux sur l'étude des prismes et des miroirs sphériques. Publiés en 1611, ils annoncent ceux, beaucoup plus fondamentaux, de Kepler, qui développe une optique géométrique de la vision et des lentilles. Toutefois, jusqu'à la fin du xviie s., hors de rares exceptions, c'est de manière empirique que sont inventés et réalisés de nombreux dispositifs : miroirs plans en métal ou en obsidienne, que l'on trouve déjà dans les tombeaux égyptiens ; miroirs sphériques convexes et concaves, déjà chez les Romains ; lentilles créées au Moyen Âge et ayant été utilisées dans l'invention des bésicles, « lunettes à nez » (1317) ; « chambre obscure » (→ chambre noire), réalisée, semble-t-il, pour la première fois, par R. Bacon au xiiie s., améliorée par Giambattista Della Porta (1535-1615), qui imagine la lanterne magique, perfectionnée par le père Kircher.

Lunette astronomique

Lunette astronomiqueLunette astronomique du XVIIIe siècleTélescopes et lunettesMicroscope optiqueMicroscope optique
La lunette pour la vision à distance, créée par des opticiens hollandais vers 1590, est utilisée par Galilée en 1609 pour des observations astronomiques ; microscope, apparu vers 1615, amélioré par R. Hooke (1665) et A. Van Leeuwenhoek.
3.3. De nouveaux phénomènes en nouvelles théories

Interférences lumineuses

Interférences lumineusesVitesse de la lumièrePolarisation de la lumière Phénakistiscope
À partir du milieu du xviie s. vont être découverts de nouveaux aspects de la lumière, dont l'optique géométrique, qui ne connaît que les rayons lumineux, ne peut rendre compte : interférences et diffraction (F. Grimaldi [1618-1663], 1650) ; couleurs des lames minces (R. Boyle et R. Hooke) ; double réfraction (E. Bartholin, 1669) ; première mesure de la vitesse de la lumière (Römer, 1676) ; polarisation (É. L. Malus, 1810) ; polarisation rotatoire (F. Arago, A. Cauchy, M. Faraday) ; mesure précise de la vitesse de la lumière (H. Fizeau, 1849 ; L. Foucault, 1850) ; analyse spectrale utilisée systématiquement à partir du milieu du xixe s., notamment par G. R. Kirchhoff.

Louis Daguerre, la Seine aux Tuileries
Louis Daguerre, la Seine aux TuileriesChambre noire, ou sténopéscanner du cerveau
Il faut aussi citer l'invention de la plaque photographique (→ photographie), fondée sur l'action réductrice de la lumière sur les sels d'argent (N. Niépce et L. Daguerre, 1833-1839). En 1869, J. C. Maxwell édifie sa théorie électromagnétique. En 1895, W. Röntgen découvre les rayons X, et H. Becquerel la radioactivité. En 1887, H. Hertz produit des ondes électromagnétiques ayant les mêmes propriétés que la lumière. La théorie de la lumière se développe avec H. A. Lorentz (1895) et aboutit à la mécanique ondulatoire de L. de Broglie (1924).
3.4. Les nouvelles applications de l’optique

Laser

LaserCode-barresLecteur optiqueTélescopes géants et multiplesRadiotélescope et interférométrie
À partir du milieu du xxe s. se développent de nouvelles applications de l’optique dans des domaines très divers. En témoignent les techniques de l'audiovisuel (→ télévision), de l'imagerie médicale, de la détection des images infrarouges, ainsi que les nouvelles générations d'instruments en microscopie électronique, en astronomie, en spectroscopie… La mise au point de lasers adaptés a permis, en particulier, le développement des télécommunications par fibres optiques, la transmission d'informations entre ordinateurs (→ Internet) et la lecture optique de disques gravés (→ DVD), de code-barres et de Flashcodes.
Par ailleurs, de nombreuses applications ont été réalisées grâce aux progrès en électronique et dans les techniques de traitement des signaux (→ traitement d'images). Avec la naissance de l'optoélectronique, les frontières entre l'électronique et l'optique s'estompent et ouvrent la voie à de nouveaux développements révolutionnaires.
4. Lois, principes et systèmes optiques

4.1. L'optique géométrique

Prisme
Elle est fondée sur quelques principes simples : la propagation rectiligne (dans un milieu transparent, homogène et isotrope, les rayons lumineux sont des droites) ; les lois de Snell-Descartes sur la réflexion et la réfraction ; le principe de Fermat (d'un point à un autre, la lumière suit le trajet de durée minimale ou maximale). À partir de ces principes, il est possible de concevoir un certain nombre de systèmes optiques, dont les principaux sont : le miroir plan, le dioptre plan, le miroir sphériqueet la lentille mince. Ils trouvent des applications dans les instruments d'optique (loupe, microscope, lunette, télescope, objectif photographique), dont les propriétés de base répondent, elles aussi, à des règles géométriques simples.
4.1.1. Loi de Snell-Descartes sur la réflexion
Réflexion d'un rayon lumineuxRéflexion d'un rayon lumineux
Lorsque des ondes lumineuses rencontrent la surface de séparation de deux milieux où les vitesses de propagation sont différentes, elles retournent en partie dans le premier milieu (lumière réfléchie) et pénètrent en partie dans le second (lumière transmise, ou réfractée). En tout point d'une surface réfléchissante, la normale, le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans un même plan, l'angle d'incidence étant égal à l'angle de réflexion.
On distingue la réflexion métallique, qui se produit à la surface d'un métal poli, et la réflexion vitreuse, qui se produit à la frontière de deux milieux diélectriques. Quand le premier milieu a un indice de réfraction supérieur à celui du second, il existe un angle d'incidence limite au-dessus duquel il n'y a plus de lumière transmise, c'est la réflexion totale, utilisée dans les prismes et les fibres optiques.
Pour en savoir plus, voir l'article réflexion.
4.1.2. Loi de Snell-Descartes sur la réfraction

Réfraction
RéfractionDécomposition par réfraction de la lumière blanche dans un prisme
Un rayon lumineux arrivant avec un angle d'incidence i à la surface de séparation de deux milieux transparents subit une déviation, le rayon réfracté restant dans le plan d'incidence (→ réfraction). L'angle de réfraction r, angle entre le rayon réfracté et la normale à la surface, est lié à l'angle d'incidence par la loi de Descartes :
sin i / sin r = n

n étant l'indice de réfraction du second milieu par rapport au premier.
Pour l'incidence rasante (i = 90°), l'angle r atteint une valeur limite L telle que :
sin L = 1/n

Pour le verre, d'indice n = 1,5, L = 41° 48′.
Dans la propagation en sens inverse, du verre dans l'air par exemple, si le rayon arrive sur la surface de séparation sous un angle supérieur à L, la réfraction ne se fait plus : il y a réflexion totale.

Biréfringence
Certains milieux anisotropes présentent le phénomène de double réfraction (biréfringence). On observe deux rayons réfractés : le rayon extraordinaire et le rayon ordinaire, qui, seul, obéit à la loi de Descartes.
Près de l'horizon, les rayons lumineux d'un astre traversent une plus grande épaisseur d'atmosphère terrestre avant de parvenir au sol : ils subissent une réfraction dont l'effet est mesurable et qui se traduit par une modification de la direction apparente de l'astre. Le phénomène explique aussi l'aplatissement apparent du Soleil et de la Lune au moment de leur lever et de leur coucher.
4.2. L'optique physique

Dualité onde particule
Si les phénomènes de polarisation, d'interférences et de diffraction ne peuvent s'expliquer que par la théorie ondulatoire, l'effet photoélectrique ou l'effet Compton exigent une interprétation corpusculaire.

Polarisation de la lumière  Polarisation de la lumièreInterférence lumineuse
Pour l'optique ondulatoire, la lumière est considérée comme formée par la vibration d'un champ électromagnétique, perpendiculairement à la direction de propagation ; son énergie a une distribution continue dans l'espace. Dans la lumière polarisée, l'amplitude vibratoire n'est pas la même dans tous les plans contenant le rayon lumineux. Les interférences sont dues à la superposition de deux rayons issus d'une même source ponctuelle et ayant suivi des chemins différents. Enfin, la diffraction est un phénomène d'interférence produit par les radiations provenant des différents points
L'effet photoélectrique
L'effet photoélectriqueL'effet Compton
Avec l'optique corpusculaire, la lumière est considérée comme formée de photons. L'effet photoélectrique se produit lorsqu'un photon d'énergie suffisante arrache un électron à l'atome qu'il rencontre et lui communique une certaine vitesse. L'effet Compton est un processus d'interaction entre matière et rayonnement électromagnétique dû à la diffusion du rayonnement par les électrons des atomes : lors d'une collision élastique avec un électron, un photon subit une augmentation de longueur d'onde.
4.3. L'optique non linéaire


Curiosity sur Mars  Lecteur de disque compact
Elle recouvre différents phénomènes qui se produisent lorsque de la lumière intense traverse un diélectrique (substance isolante). Ceux-ci ont été mis en évidence grâce à l'invention des lasers, qui émettent une lumière dont le champ électrique est extrêmement intense. Cela a pour conséquence que la notion même d'indice de réfraction n'a plus de sens et que la propagation de ces ondes obéit à des lois spéciales. Parmi ces propriétés, signalons le phénomène d'autofocalisation (un faisceau de lumière parallèle issu d'un laser tend, à l'intérieur d'un milieu, à se focaliser de lui-même et à se concentrer en faisceaux très fins) ou la production d'harmoniques (lorsqu'un milieu est traversé par un faisceau rouge issu d'un laser, on observe la production d'une onde ultraviolette de fréquence double de celle de l'onde incidente).
5. Unités optiques

L'unité de base des unités optiques dans le système international (SI) est la candela (cd), unité d'intensité lumineuse. Toutefois, il existe d’autres unités optiques, notamment le lumen, le lux et la dioptrie.

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