TPMS_TS2\SERIE1_physS_TS2\04_modes_TS2

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LEGT Saint-Louis
TS2 Génie Optique Photonique
TP de Physique 582674908
SAMSO
ANALYSE DE SPECTRE. MODES AXIAUX D’UNE DIODE-LASER
ET D’UN LASER HE-NE
Durée: 3H. Ce T.P. comporte 3 pages. Lieu : salle B15 poste m15 pour la diode-laser et salle B14 poste M3 pour
les modes du laser He-Ne.
1. MATERIEL / LOGICIELS A VOTRE DISPOSITION
Diode laser Monochrome et laser He-Ne réf 05 LHR 121 non polarisé à analyser - Monochromateur + Console Capteur visible photopile Si PIN-10DP - Amplificateur variable UDT 101C - Carte A/N installée dans microordinateur - Objectif de microscope x 20 - 2 écrans dépolis - Interféromètre de Fabry-Pérot pour analyse de
modes- Lentille 500 mm - Caméra CCD - Micro-ordinateur avec carte et système de traitement d'images - Imprimante – Logiciels VisuIm, Chromex et Excel.
2. TRAVAIL THEORIQUE
2.1 Etude des principes mis en œuvre
L'interféromètre F-P d’analyse est constitué d'une lame d'air à faces réfléchissantes parallèles (R MAX dans le
rouge), d'épaisseur e.
2.1.1 En lumière monochromatique


On observe des franges d'interférence. Ce sont des anneaux d'égale inclinaison i localisés à l’infini. L'ordre p
2e. cosi
2e
d'un anneau brillant est donné par : p 
; au centre : p 0 
. Quel est l’ordre de grandeur de p si e


est voisin de 60 mm et si on éclaire avec un laser rouge ? Comment varie p lorsque i augmente ?
On peut observer ces anneaux dans le plan focal d'une lentille convergente de distance focale f'. L'expression
du diamètre D de l'anneau d'ordre p est donnée par : D  2f ' 2  p .
e



en fonction du numéro N de l'anneau par : D 2  4f ' 2 N  C te . Comment retrouver la valeur
e
de e quand on a tracé le graphe D2 en fonction de N ?
Lorsque D augmente, donner le sens de variation de N et de p.
On peut exprimer
D2
2.1.2 En lumière polychromatique

Le pouvoir de résolution est défini par : R  p.F , F étant la finesse de l'interféromètre. Pour séparer deux radiations voisines  et +, l'interféromètre doit avoir un pouvoir de résolution R suffisant : R 

Montrer que l’épaisseur minimale eMIN que l’on doit donner à la lame d'air pour distinguer les anneaux correspondants aux différents modes est égale à





Δ Δ 
L
(L est la longueur de la cavité laser qui contient un gaz raréfié
F
d’indice de réfraction 1).
Relever (http://www.cvimellesgriot.com/Products/Red-632.8-nm-Cylindrical-Helium-Neon-Laser-Systems.aspx ) l’ISL (ou FSR ou
longitudinal mode spacing) des lasers Melles-Griot suivants :
 25 LHR 121-230
 25 LHR 171-230
 25 LYR 173-230
Pour chaque laser, donner :
 l’écart  en fréquence entre 2 modes consécutifs
2
 l’écart  en longueur d’onde entre 2 modes consécutifs : Δ   
c

 la valeur minimale de l’épaisseur du Fabry-Pérot de finesse F = 30 pour séparer les modes
Pourquoi ces modes ne sont-ils pas observables au monochromateur ?
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2.2 Analyse de modes par une cavité OSA (analyseur de spectre optique).
L’appareil industriel qui permet d’analyser le spectre d’émission d’un laser ou d’une diode-laser est appelé ana-
céramique piezo
LASER ou
DIODE-LASER
détecteur
P.F d’analyse
générateur de
rampes
OSCILLOSCOPE
Figure 1
lyseur de spectre optique. Le laboratoire n’en possède pas ; nous allons étudier son principe de fonctionnement.
Son schéma de principe est donné Figure 1. Le Pérot-Fabry du spectromètre d’analyse est une cavité confocale
formée de deux miroirs sphériques de 6,82 mm de rayon de courbure (voir Figure 2).
a) Donner la valeur d de la distance entre les deux miroirs pour
que les 2 foyers soient confondus.
b) Sur votre feuille, reproduire le schéma de la Figure 2 en le
I
J
réalisant dans les conditions de l’optique paraxiale (conditions de Gauss). Poursuivre la construction du trajet du
d
rayon IJ et montrer que le rayon revient au même point et
M1
M2
dans la même direction après 4 réflexions.
.
.
c) Montrer que l’intervalle spectral libre du Pérot-Fabry à cavité
Figure 2
confocale est : (ISL)PF = c/4d. Calculer sa valeur en GHz.
d) Le miroir M2 est solidaire d'une cale piézo-électrique. Cette
cale se dilate sous l'action d'une tension, ce qui a pour effet de réduire légèrement la longueur d de la cavité.
La distance d varie alors proportionnellement à la tension. Soit d la variation de d. La tension maximale applicable est 1000 V. Le déplacement du miroir est de 0,8 nm/V. On applique au translateur piézo une tension
en dent de scie. Sachant qu'un mode de résonance apparaît chaque fois que d varie de /4 à partir d'un
mode précèdent (ici  = 1,26 m), calculer l’amplitude minimale V0 de la tension qu'il faut appliquer à la cale
piézo-électrique pour visualiser deux modes de résonance successifs. Le constructeur donne l’intervalle
spectral libre du P.F : (ISL)PF = 11GHz ; sur la Figure 3, la différence de fréquence entre les raies 2 et 5 vaut
11 GHz.
e) On constate la présence d'une oscillation sous forme de raies situées de part et d'autre du mode central
d’émission. Mesurer sur la Figure 3 l’intervalle entre ces modes (on utilisera pour cette mesure les raies 1 et
2 de l’enregistrement).
f) A votre avis, analyse-t-on un laser ou une diode-laser ?
Figure 3
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3. TRAVAIL PRATIQUE
3.1 CARACTERISATION SPECTRALE D’UNE DIODE-LASER
Cette partie est à réaliser durant la première heure. Lieu : m16.
a)
b)
c)
d)



e)
Régler le monochromateur pour visualiser les modes de la diode laser qui émet autour de 670nm.
Montrer le spectre à un professeur lorsque le montage est optimisé (modes bien visibles)
Sauvegarder l’enregistrement sous DL.mon et faire une sortie imprimante.
Préciser sur la feuille d’enregistrement les paramètres d’acquisition :
Largeur des fentes:
Scan step  =
Gain de l'amplificateur
Mesurer à l’aide du logiciel l'écart entre les modes modes et estimer la largeur à mi-hauteur DL de
l'enveloppe des modes de la diode laser mise à votre disposition (alimentée sous sa tension nominale).
f) En déduire la longueur L de la cavité de la diode-laser, sachant que l’espacement entre 2 modes vaut :
2
c
soit Δ   (prendre n=3.6).
Δ 
2nL
2nL
3.2 CARACTERISATION SPECTRALE D’UN LASER He-Ne
Cette partie est à réaliser durant les deux heures suivantes. Lieu : M3.
3.2.1 Mesure de l’épaisseur du Fabry-Pérot d’analyse
a) L'interféromètre est éclairé par un laser He-Ne 05 LHR 121 muni d'un objectif de microscope. L'épaisseur
de la lame d'air de l’interféromètre doit être d’environ 60 mm.
b) Utiliser comme système de projection la lentille de 500 mm et le capteur CCD. Se mettre en acquisition
permanente sous VisuIm. Visualiser les anneaux. Affiner le réglage de l'interféromètre.
Faire constater le réglage par un professeur.
c) Combien de modes observe-t-on? Introduire un polariseur et comparer leur polarisation.
d) Positionner le polariseur de manière à n’observer qu’un seul mode.
e) Acquérir une image des anneaux sous VisuIm. Sauvegarder cette image sur disque sous image1. Imprimer
l’image image1 (inverser les couleurs pour économiser l’encre) et fournir le fichier. .
f) Mesurer à l'aide de la souris le rayon R (exprimé en pixels) des 5 ou 6 premiers anneaux d'un même mode.
Faire un tableau sous Excel.
g) Etalonner le CCD : la distance entre 2 pixels est à déterminer expérimentalement. Il suffit d’observer, à
l’aide de la caméra munie d’un objectif de focale f, un objet transversal de longueur l placé à la distance
f
d>>f de l’objectif. La taille réelle de l’image est : l'  l.G t  l. . La mesurer en pixels. En déduire la valeur
d
de la distance entre deux pixels adjacents. (Note : elle doit être voisine de 8 µm).
h) Calculer sous Excel les diamètres D des 5 ou 6 premiers anneaux exprimés en mm. Tracer la courbe
D2=f(No_anneau). Tracer la dmc et sauvegarder le graphe sous fp.xls. En faire une sortie imprimante.
i) A l'aide de la pente de la courbe, en déduire la valeur de e.
j) Comparer à la longueur mesurée à la règle. Conclusion.
3.2.2 Etude de l’épaisseur de la cavité du laser
a) Comment varie l’ordre d’interférence lorsque l’on s’éloigne du centre des anneaux ?
b) Enlever le polariseur. Mesurer en pixels les grandeurs suivantes :
 D1 : diamètre de l’anneau d’ordre p correspondant au mode 1.
 D2 : diamètre de l’anneau d’ordre p correspondant au mode voisin 2.
 D3 : diamètre de l’anneau d’ordre p-1 correspondant au mode 1.
c) Sauvegarder l’image sous image2. En faire une sortie imprimante (inverser les couleurs pour économiser
l’encre) et fournir le fichier.
D3  D1
2
d) Repérer sur la sortie imprimante D1, D2, D3. Calculer le rapport r : r =
2
D2  D1
2
2
e) Calculer  = 2 - 1 égal à : 2/2re.
f) Sachant que  est donné par 2/2L où L est la longueur de la cavité du laser, en déduire une valeur approchée de L. Comparer à la donnée du constructeur. Conclusion.
-3/4-
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NOMS : …………………………….
Date : ………………….
………………………….
………………………….
FEUILLE A RENDRE EN FIN DE SEANCE
Barème de correction
§
Pts sur
place
Travail à faire
Pts.
rapport
Remarques
2.1
Etude des principes mis en œuvre
___/3
Analyse de modes par une cavité OSA (analyseur de spectre
optique).
___/3
2.2
3.1
Montrer le spectre à un professeur
___/2
paramètres d’acquisition, enregistrement sous DL.mon, écart
entre les modes modes , largeur à mi-hauteur DL de
l'enveloppe, en déduire la longueur L
3.2
Faire constater le réglage par un professeur
___/2
Mesure de l’épaisseur du Fabry-Pérot d’analyse
Combien de modes, polarisation. Sauvegarder image1.tif.
Rayon R (exprimé en pixels) des 5 ou 6 premiers anneaux d'un
3.2.1 même mode. Faire un tableau sous Excel.
Etalonner le CCD, distance entre deux pixels. Diamètres D des
5 ou 6 premiers anneaux exprimés en mm. Courbe + dmc.
Sauvegarder le graphe sous fp.xls. Valeur de e. Comparer
Variation de l’ordre d’interférence. Valeurs de D1 , D2 et D3 .
3.2.2 Sauvegarder l’image sous image2.tif. Valeur de r et de . Valeur approchée de L. Comparer
Les points dans les champs grisés sont attribués sur place. À la correction, ces points
ne seront plus reportés sur le compte-rendu.
___/3
___/4
___/3
Note : ___/20
Remarques des élèves (problèmes matériels, erreurs dans le sujet, …) :
-4/4-
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