opt06_divers

TP 6
A – EMISSION, ABSORPTION
1 – Emission du corps noir
1.1 – Loi du déplacement de Wien
Faire un spectre de lumière blanche (Quartz-iode, réseau) et modifier la tension
d’alimentation de la lampe. Lorsqu’on baisse la température de la lampe, le spectre semble
s’appauvrir en courte longueur d’onde (côté violet). Mais il est difficile de conclure par cette
seule observation visuelle. Même à la plus haute température (environ 3000K), le maximum
du spectre est déjà dans le proche IR (max T ≈ 2900 µm.K) et il est difficile de comparer les
positions apparentes du maximum du spectre lorsqu’on change en même temps l’intensité
totale.
Une mesure moins discutable peut s’effectuer en utilisant la barrette CCD qui est sensible sur
une plage plus importante que l’œil ((voir TP photorécepteur) et surtout dans le proche IR.
Prendre un réseau peu dispersif (300 t/mm) de façon à visualiser sur la barrette (Caliens sans
filtre absorbant) une grande partie du spectre, Infra-rouge compris. Etalonner sommairement
(avec des filtres interférentiels) le spectre obtenu. Noter la position du maximum (qui n’est
quand même pas à la vraie position du maximum à cause de la réponse spectrale de la
photodiode qui n’est pas constante). Baisser la température de la lampe et changer le temps
d’intégration (sensibilité) – ou la largeur de la fente source – pour garder la même amplitude.
Le maximum du spectre doit se déplacer du côté grande longueur d’onde.
Autre solution : utiliser la thermopile. La sensibilité est constante mais faible et le temps de
réponse long (quelques secondes). La déplacer sur le spectre et noter la position du maximum.
1.2 – Loi de Stefan
Le boîtier ENSL (mesure de T avec thermocouple, mesure de la fem de la thermopile après
amplification) permet une mesure de qualité.
Le principe de la thermopile (ensemble de thermocouples dont 1 sur 2 est à la température
ambiante T0 et l’autre à la température d’équilibre Te que prend la face noircie à l’avant l’écart Te – T0 étant proportionnel au supplément de puissance reçue due à l’émission du
corps noir porté à la température T) implique que la f.e.m e est proportionnelle à T4 – T04
(e = 0 à la température ambiante T0).
Il est préférable d’étudier la variation e = f (T4 – T04) au refroidissement (en coupant
l’alimentation du four), la mesure de température étant moins faussée par la résistance
chauffante. On peut faire la mesure en acquisition informatisée mais une mesure par points
peut être suffisante.
Une estimation de la valeur de la constante de Stefan implique de faire des hypothèses sur le
diagramme de rayonnement:
Si la puissance reçue par la thermopile, de section s, située à la distance d, est P r, il faut
déterminer la puissance Pe émise par le corps noir de surface S puis l’émittance M = Pe/S
qui vérifie la loi de Stefan M = T4 (S = 3 cm2 ; s = 4.5 cm2).
Une approximation raisonnable est de supposer que la surface émettrice vérifie la loi de
Lambert ( la luminance L – intensité par unité de surface utile – est indépendante de la
direction d’émission) : l’intensité énergétique n’est donc pas isotrope : elle est maximale
perpendiculairement à la surface ( =0°) mais plus faible – multipliée par cos – sous l’angle
Alors M = L
La mesure avec la thermopile donne la luminance à 0° : L = I=0/S = M/ avec I=0 = d/d
Le flux reçu Pr est égal à I=0 s d = MS/ sdd est la distancesource-détecteur)
d’où M = Prd2/Ss
Finalement  = M/T4 = Pr d2/SsT4 ou plutôt (en tenant compte du principe de la
thermopile)
Pr d2/Ss(T4 – T04)
Exemple : avec Pr = 11.3 mW pour T = 597 K ; T0 = 292 K et d = 15 cm, on arrive à une
valeur moyenne de
 5 10-8 W m-2 K-4 (valeur tabulée 5.7 10-8 W m-2K-4)
2 – Spectre d’émission d’un gaz
On peut naturellement faire un spectre du Mercure ou du Cadmium. Nous proposons ici une
mesure des raies de la série de Balmer de l’Hydrogène (656.5 ; 486.3 ; 434.2 ; 410.4 nm) qui
permet de déterminer la constante de Rydberg (combinaison de constantes fondamentales de
la physique).
La mesure peut se faire au monochromateur mais on peut la faire aussi avec un réseau et la
barrette CCD Caliens (voir annexe 1) ou un goniomètre (annexe 5)
3 – Spectres d’absorption
3.1 – Spectre d’absorption d’une solution colorée
Solution de permanganate de potassium à diverses concentrations placée dans une cuve
rectangulaire. Visualiser d’abord le spectre sur un écran : on doit apercevoir 5 ou 6 bandes
d’absorption dans le vert. Ensuite, faire des mesures quantitatives avec le monochromateur et
le photodétecteur (phototransistor) en enregistrement informatisé. Vérifier la loi de BeerLambert.
3.2 – Absorption résonnante
- avec 2 lampes à vapeur de Sodium
Mettre les deux lampes en fonctionnement et faire l’image de l’une sur l’autre avec un
condenseur. Arrêter l’une des lampes : elle continue à réémettre de la lumière (comme par
diffusion par de la brume). Si l’on remplace la lampe excitatrice par une source de lumière
blanche, le phénomène disparaît.
- raie d’absorption
Faire un spectre de lumière blanche (Quartz-iode) suivant le montage ci-dessous et placer
au premier point de convergence un bec Bunsen dans lequel on place un petit morceau de
sodium. La flamme devient jaune et une raie noire apparaît (fugitivement) sur le spectre
continu.
Q-I
bunsen
condenseur
réseau
ou PVD
Expérience délicate mais spectaculaire quand elle est réussie…
B – PROPRIETES DES LASERS
4 – Cohérence spatiale
4.1 – Profil gaussien
Prendre un laser HeNe donnant un faisceau de bonne qualité (sinon, utiliser l’épurateur et
régler ce dernier pour obtenir une « belle » tache). Utiliser Caliens pour enregistrer le profil
du faisceau. Transférer dans Synchronie et vérifier (en opérant les transformations
mathématiques adéquates) que le profil est de type gaussien en I0 exp (-r2/w2) où w est le
waist.
4.2 – Divergence et waist
– Enregistrer le profil en fonction de la distance x à la sortie du faisceau du Laser HeNe.
Tracer w = f(x) pour en déduire la position et le diamètre du waist minimal w0 et la
divergence du faisceau. On doit avoir
z2
z02
où z est la distance entre la position d’observation et celle où l’onde est plane et où le waist
est de taille minimale w0 . En pratique, la position du waist minimal est à l’intérieur de la
cavité. Le faisceau reste « focalisé » sur une distance de l’ordre de z0 qui est le paramètre
confocal du faisceau z0 =  w02/ . A grande distance, l’ouverture angulaire du faisceau est de
w0
w  w0
1
– Prendre une diode laser et enlever la lentille collimatrice. Mesurer la divergence du faisceau
dans les deux directions. En déduire un ordre de grandeur des dimensions transversales du
barreau en utilisant des formules de type diffraction (la figure est en fait apodisée par une
transmittance variable).
4.3 – Speckle
Placer un dépoli sur un faisceau Laser HeNe et placer un écran d’observation à 1 ou 2 m. On
observe des taches aléatoires de très faibles dimensions. Placer une lentille convergente (f =
20 cm) avant le dépoli et déplacer celui-ci longitudinalement pour se placer au moment (dans
le plan focal image de la lentille) où les taches ont la plus grande taille.
Estimer une taille moyenne des taches (mesure assez subjective) et vérifier que celle-ci est
compatible avec la divergence du faisceau.
5 – Cohérence temporelle
5.1 – Laser He-Ne
Voir l’annexe 3 utilisant le Fabry-Pérot confocal
5.2 – Diode Laser
Voir l’annexe 4
C – MESURE DE LA CELERITE DE LA LUMIERE
Utiliser le boîtier Electrome qui comprend une diode Laser modulée (à 500 kHz) et une
photodiode rapide.
Régler d’abord la convergence du faisceau pour obtenir une tache de l’ordre de 1 cm de
diamètre à 8 ou 9 m. Placer un miroir plan et renvoyer le faisceau sur la photodiode. Placer
sur le faisceau de retour une lentille de 20 cm de focale pour faire converger la lumière sur le
détecteur.
A l’oscillo (numérique Agilent), visualiser les signaux Emission et réception. Déclencher par
le premier sur une base de temps de 20 ou 50 ns/carreau et effectuer des acquisitions en
moyenne (acquire- averaging).
En plaçant les curseurs, mesurer la durée entre le signal émission et le signal réception. Celuici étant entaché d’oscillations parasites, masquer un instant le faisceau pour bien identifier le
début du signal de retour (oscillogramme inférieur).
L’enregistrement ci-dessous a été effectué avec une distance aller-retour de 18.5 m (± 0.1m).
La durée mesurée (62.8 ± 2 ns) conduit à
c=( 2.95 ± 0.11) 108 km/s