Photonique

Photonique
M 3.3.2
2eannée, IUT du Limousin
Département Mesures Physiques
— TRAVAUX PRATIQUES —
Version 1.5,2011
L. Grossard ([e-mail])
L. Delage ([e-mail])

Paternité - Pas d’Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l’Identique 2.0 France
Vous êtes libres :
– de reproduire, distribuer et communiquer cette création au public
– de modifier cette création
Selon les conditions suivantes :
Paternité. Vous devez citer les noms des auteurs originaux.
Pas d’Utilisation Commerciale. Vous n’avez pas le droit d’utili-
ser cette création à des fins commerciales.
Partage des Conditions Initiales à l’Identique. Si vous modifiez,
transformez ou adaptez cette création, vous n’avez le droit de
distribuer la création qui en résulte que sous un contrat identique
à celui-ci.
– A chaque réutilisation ou distribution, vous devez faire apparaître clairement aux autres les condi-
tions contractuelles de mise à disposition de cette création.
– Chacune de ces conditions peut être levée si vous obtenez l’autorisation du titulaire des droits
Ce qui précède n’affecte en rien vos droits en tant qu’utilisateur (exceptions au droit d’auteur : copies
réservées à l’usage privé du copiste, courtes citations, parodie...)
Ceci est le Résumé Explicatif du Code Juridique (la version intégrale du contrat se trouve sur
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/legalcode)
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Recommandations
Les séances de travaux pratiques viennent compléter et illustrer concrètement l’enseignement
théorique qui vous a été ou sera dispensé en cours et en travaux dirigés en 1re et 2eannée.
Ces séances sont d’une durée de 4 h et effectuées en binôme. Six sujets vous sont proposés. Il
est indispensable d’arriver à l’heure afin de pouvoir terminer le travail prévu. Aucun accès supplé-
mentaire à la salle de TP ne sera autorisé pour terminer votre travail, sauf en cas de force majeure
(appareil défectueux durant la séance. . .).
Afin de gérer correctement votre temps de manipulation, cette séance aura été impérativement
préparée à l’avance. Chaque sujet comporte une partie préparation, à rédiger proprement et à rendre
à l’enseignant au début de chaque séance. Vous ne serez pas autorisés à effectuer la séance si vous
ne l’avez pas préparée. Prenez connaissance des annexes, elles contiennent des notions et des infor-
mations pratiques nécessaires à une bonne compréhension du sujet. Essayez d’avoir une vue d’en-
semble des différentes manipulations que vous aurez à réaliser.
En début de séance, l’enseignant vous présentera rapidement le matériel et apportera quelques
précisions. Ce sera le moment d’éclaircir ce qui restait incompris.
Le compte-rendu doit être donné impérativement en fin de séance et sera noté. Il doit exposer
brièvement le contenu du travail demandé. Une introduction présentera rapidement les principes et
objectifs. Les rappels théoriques seront les plus brefs possibles (inutile de recopier l’énoncé). Vous
vous attacherez surtout à justifier chaque manipulation, à en expliquer la démarche, à commenter
les résultats et à montrer que vous avez observé et compris les aspects théoriques en relation avec
le TP. Répondez à toutes les questions qui vous sont posées dans l’énoncé. N’oubliez pas d’indiquer
en page de garde les noms du binôme, le numéro de groupe de TP, le titre du sujet et le nom de
l’enseignant présent. La présentation et l’orthographe seront pris en compte dans la notation. Lors
de vos trois premières séances, un fiche d’aide à la rédaction du compte-rendu vous guidera. Vous
serez ensuite complètement autonomes sur les trois dernières séances.
Tout le matériel que vous allez utiliser est fortement onéreux (une simple translation manuelle
de 5 mm de course coûte 300 e, un laser He-Ne 1000 e). Nous vous demandons de bien respecter le
matériel utilisé pour le bon déroulement de ces travaux pratiques afin de ne pas vous pénaliser. Vous
serez tenu responsable de toute dégradation.
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Sujet de TP 1
Caractérisation spatiale du faisceau émis
par un laser hélium–néon
I Objectifs
Les objectifs de ce TP sont les suivants :
– régler une cavité laser,
– étudier les différents modes spatiaux de la cavité laser,
– caractériser la divergence du mode fondamental de la cativé.
Inventaire du matériel à utiliser
– un tube laser Hélium-Néon (λ= 632.8 nm) avec un miroir à l’une de ses extrémités,
– un miroir sphérique,
– un écran percé d’une ouverture pour l’alignement de la cavité,
– un polariseur qui vous permet de contrôler le flux laser,
– une caméra et un PC pour l’aquisition et le traitement des données.
II Éléments de cours sur les lasers
Le mot LASER est l’acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ».
C’est un oscillateur dans le domaine optique, dont le principe de fonctionnement est basé sur le
phénomène d’émission stimulée. Une version simplifiée d’un résonateur laser est représentée sur la
figure 1.1.
Un laser est constitué d’un milieu amplificateur (milieu actif) qui va émettre et amplifier le rayon-
nement laser. Ce milieu amplificateur est placé entre deux miroirs sphériques de coefficients de ré-
flexion R1= 1 et R2<1, formant une cavité résonante. On apporte de l’énergie à ce milieu générale-
ment sous forme d’un courant électrique.
Les ondes oscillant dans la cavité laser ne sont pas quelconques, et doivent satisfaire à la condition
de résonance spatiale : les fronts d’onde du champ oscillant dans la cavité doivent épouser la forme
des miroirs. On appelle mode spatiaux de la cavité les distributions du champ vérifiant la condi-
tion de résonance spatiale, et donc se retrouvant égales à elles-mêmes après un aller-retour dans la
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Sujet de TP 1. Caractérisation spatiale du faisceau émis par un laser hélium–néon
M1M2
milieu amplificateur
pompage
FIGURE 1.1: Schéma simplifié d’un résonateur laser.
cavité. Si les miroirs sont sphériques, le mode spatial émis est appelé faisceau gaussien, ou mode
fondamental (TEM00). Nous allons décrire les propriétés de ce mode.
1) Étalement transversal
On note w(z)l’étalement transversal du faisceau laser en fonction de la coordonnée longitudinale
z, donné par :
w(z) = w0·s1 + z
LF2
(1.1)
avec LF=πw2
0
λla longueur de Fresnel du faisceau
La valeur minimale de l’étalement transversal est w0, obtenue dans le plan z= 0, et correspond
au rayon du col du faisceau (ou beam waist). La figure 1.2 représente l’évolution de l’étalement trans-
versal w(z)en fonction de la coordonnée longitudinale z.
w0
?
LF
θ
z
w(z)
FIGURE 1.2: Évolution de l’étalement transversal en fonction de la coordonée
longitudinale.
Q. 1.1 ⊲Quel est le rayon du faisceau en z=LF?
Q. 1.2 ⊲Montrez que pour z≫LF, l’étalement transversal augmente linéairement avec z.
Q. 1.3 ⊲Déduisez-en l’expression de l’angle de divergence du faisceau laser, noté θ, en fonction de λ
et w0. On supposera que θest petit.
Q. 1.4 ⊲Exprimez alors la longueur de Fresnel LFen fonction de l’angle de divergence θ.
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