Thème : optique Chap 6 NOTIONS D`OPTIQUE CORPUSCULAIRE

Thème : optique
Chap 6 NOTIONS D'OPTIQUE CORPUSCULAIRE
1) LES PHOTONS :
a) Aspect ondulatoire de la lumière : la lumière est un ensemble d'ondes électromagnétiques. Chaque
onde se propage à la célérité c et sa longueur d'onde λ est : λ =
ν
c = c T
ν étant la fréquence en Hz, λ la longueur en m, T la période en s, c la célérité en m/s
b) Aspect corpusculaire de la lumière : la lumière est constituée de "petits paquets de matière" appelés
photons qui sont capables de se propager à la vitesse c. Chaque photon transporte de l'énergie :
E
photon
= h ν
h : constante de Planck : h = 6,62.10
−34
J.s ; E
photon
en Joule (J) ; ν en Hertz (Hz)
(autre unité d’énergie : 1 électronvolt : 1eV = 1,6.10
−19
J)
L'énergie totale d'un faisceau de lumière émise pendant une durée t et de puissance P est : E = P t
P en Watt (W) ; E en Joule (J) ; t en seconde.
Le nombre de photons émis lors d’une impulsion lumineuse d’énergie totale E pendant une durée t est :
photon und' Energie
lumineuse impulsionl' de totale Energie
n =
(les énergies étant en Joule)
2) PUISSANCE SURFACIQUE ET ENERGIE SURFACIQUE D’UN FAISCEAU LUMINEUX :
Un faisceau de lumière de puissance P a une section circulaire de rayon R. La puissance surfacique du
faisceau lumineux est la puissance par unité de surface : Surface
Puissance
P
surfacique
=
puissance en Watt, surface en m
2
(S = π R
2
) et donc la puissance surfacique en W/m
2
ou W.m
−2
.
On peut donner une définition analogue pour l’énergie surfacique d’un faisceau lumineux :
Surface
Energie
Energie
surfacique
= (Energie en J, S en m
2
(S = π R
2
) et l’énergie surfacique en J/m
2
ou J.m
−2
.
Faisceau lumineux
cylindrique
Source de
lumière
Surface de
rayon R

II) L'ATOME ET SES NIVEAUX D'ENERGIE :
Dans un atome, les électrons sont continuellement en mouvement autour du noyau sur des orbites bien
déterminées.
Par conséquent, l'atome possède différents états d'énergies bien définis.
- L'état de plus basse énergie correspond à l'état stable ou état fondamental de l'atome : ses électrons
sont le plus près possible du noyau.
- Quand un atome est dans un état excité, son niveau d'énergie est plus élevé et des électrons sont situés
sur orbites plus éloignées du noyau. C'est un état instable.
a) Spectre d'absorption d'un atome :
On donne de l'énergie lumineuse aux atomes d'un gaz en l'éclairant avec une source de lumière blanche.
Le niveau d'énergie de chaque atome augmente : des électrons s'éloignent du noyau. Chaque atome
absorbe des photons correspondant à des longueurs d'onde bien définies.
Des raies noires sont observables sur le spectre de la lumière blanche de la source après la traversée du
gaz.
Exemple de spectre d’absorption :
exemple :
∆E = E
1
− E
0
= E
photon
: on en déduit la longueur d’onde λ
01
etc
E
1
E
i
E
4
E
3
E
2
Etat fondamental
Etats excités
Etat ionisé
Niveaux d’énergie
niveaux d’énergie
E o
stable
E 1
E 2
E 3
états
excités
photon λ03
absorbé
photon λ01
absorbé

b) Spectre d'émission d'un atome :
exemple : observation avec un spectroscope et une lampe à vapeur de sodium ou d'hydrogène :
Dans la lampe, les atomes du gaz reçoivent de l'énergie grâce à une décharge électrique et se trouvent
alors dans un état excité d'énergie élevée.
Ces différents états excités étant instables, chaque atome ne tarde pas à revenir dans un état stable de
plus basse énergie en perdant de l'énergie sous forme lumineuse : les électrons se rapprochent du noyau
et il y a émission de photons de longueurs d'onde bien définies.
Des raies colorées sont alors observables au spectroscope.
Exemple de spectre d’émission :
Exemple :
∆E = E
1
− E
0
= E
photon
: on en déduit la longueur d’onde λ
10
Les longueurs d'onde des raies noires du spectre d'absorption sont les longueurs d'onde des raies
colorées du spectre d'émission : exemple : λ
01
= λ
10
Spectre
d’absorption
Spectre d’émission
niveaux d’énergie
E o
stable
E 1
E 2
E 3
états
excités
photon λ30
émis
photon λ10
émis

IV) LE LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1917 : Albert Einstein décrit le principe de l'émission stimulée (production sur commande d'un photon par
un électron)
1958 : Townes et Schawlow déposent un brevet sur le laser.
1960 : Maiman obtient l'émission laser en excitant des cristaux de rubis.
1961 : Javan met au point le laser à gaz (hélium-néon).
1966 : Sorokin construit le premier laser à liquide
a) Principe du laser :
Le pompage consiste à exciter des électrons d'un milieu liquide, solide ou gazeux : chaque atome du
milieu est alors dans un état excité correspondant à un niveau d’énergie élevé. Ces états étant instables, il
y a déclenchement de l'émission de photons qui a leur tour excite de nouveau les électrons du milieu
(émission stimulée) : on a alors une émission de photons en cascade. Enfin, on accumule ce rayonnement
entre deux surfaces réfléchissantes avant de le relâcher sous forme de rayon. Tous les photons sont en
phase entre eux.
ex : laser au rubis :
b) Rôle de la cavité résonante :
Elle permet de réaliser la mise en oscillation du laser et de sélectionner ses fréquences de
fonctionnement. Par allers-retours successifs de la lumière entre les deux miroirs, des ondes vont
interférer dans la cavité. Si ces interférences sont constructives, une onde pourra s'établir, sinon
l'oscillation disparaît.
Condition pour avoir des interférences constructives :
Soit L la longueur da la cavité. Après un aller-retour l'onde réfléchie doit se trouver en phase avec l'onde
incidente : la différence de trajet optique entre ces deux ondes est : ∆ = 2 L. Ces deux ondes sont en
phase si ∆ = k λ avec k un entier.
D'où : 2L = kλ soit :
=ν
fréquences de résonance possibles dans la cavité. A chaque fréquence on a
un mode.
Entre deux modes consécutifs, l'intervalle de fréquence est :
==ν−ν=ν∆ +
exemple pour le laser He-Ne (L=30cm) : ∆ν = 500MHz.

c) propriétés du faisceau laser :
lumière pratiquement monochromatique, faisceau faiblement divergent, l'énergie est concentrée dans un
très petit volume (dangereux et puissant), c'est une lumière cohérente spatialement et temporellement
(contrairement à une lampe classique) : les photons émis ont tous la même longueur d’onde, la même
direction.
Les différents types de lasers selon la nature du milieu actif :
type de laser puissance utilisation
laser Hélium-Néon de lycée 0,5 à 1mW expériences simples d'optique
diode laser As-Ga (arséniure de
gallium) 1 à 3mW lecteurs de code-barre, de CD,
télécommunication (fibres
optiques)
laser de type YAG (cristal
d'yttrium et l'aluminium) de l'ordre de 500W sous forme d'impulsions de fréquence 1kHz micro-usinage
laser à gaz CO
2
en continu
(pompage continu) 100W à plusieurs kW
découpes d'étoffes, micro-
usinage, chirurgie (couper et
cautériser des tissus
organiques)…
lasers impulsionnels (azote, CO
2
)
(pompage par flashage)
puissances crêtes pouvant
atteindre 1MW pendant des
durées de l'ordre de 10 ns, ou des
puissances bien plus grandes
encore lors d'impulsions très
brèves de durée voisine de 10
-15
s
recherche, laboratoires (étude des
mécanismes de réactions
chimiques...)
Les rayons lasers permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface.
Ils sont ainsi utilisés pour chauffer, fusionner ou vaporiser la matière.
On les emploie dans l’industrie pour percer les matières les plus dures, comme le diamant.
Dans les bâtiments et les travaux publics, les rayons lasers servent à vérifier l’alignement des structures.
Ils permettent aussi de mesurer des distances afin de déterminer la vitesse de véhicule par exemple.
Technologie militaire : des systèmes de guidage à laser ont été développés pour les missiles, les avions et
les satellites.
En art : photographie de phénomènes très brefs. Eclairages de concerts, spectacles son et lumière…
On utilise aussi les rayons lasers pour nettoyer la façade de certains monuments historiques.
En informatique : lecteur, graveur : laser pour « lire », « écrire » , « effacer » des CD ou DVD.