Microscopie optique
publicité
Optique Géométrique Licence 1 MIPCM – Semestre 1 Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Chapitre 1 Propriétés de la lumière Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Un peu d’Histoire… Lumière = rayon 1609 : Galilée 1611 : Kepler – traité d’optique 1621 : Snell – réfraction 1637 : Descartes – réfraction 1666 : Newton – décomposition lumière Lumière = onde 1773 : Young – diffraction et interférences 1873 : Maxwell – équations 1887 : Hertz – preuve expérimentale Lumière = photon 1900 : Planck 1905 : Einstein Lumière = onde et photon 1925 : de Broglie Cours N. Delorme – L1 Chimie, spectroscopie (L3) 2009-2010 La lumière une onde électromagnétique La lumière est une onde: Ondes sur la surface de l ’eau Source lumineuse Front d’onde crêtes creux Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Ondes Généralités T A: l’amplitude ⇒ intensité de la lumière= A² A T: la période (en s) t T = 1 ν = 2π ν: la fréquence ω ω: la pulsation A et T ne suffisent pas à différentier les deux ondes ϕ: la phase Expression mathématique d’une onde périodique: y = A sin (ωt + ϕ ) Q: Déterminer la phase des ondes rouge et orange Cours N. Delorme – L1 2009-2010 La lumière une onde électromagnétique (2) Onde électromagnétique: E, B varient périodiquement au cours du temps et se propage dans l’espace. Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Ondes électromagnétiques Définitions L’onde électromagnétique : se propage dans l’espace varie au cours du temps λ T A A t x λ: la longueur d’onde Pour parcourir λ il faut T secondes ⇒ la vitesse de la l’onde électromagnétique est: V= λ T = λν λ et V dépendent du milieu ν dépend de la source Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Ondes électromagnétiques Définitions (2) λ ν=nombre de passage/seconde A x Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Onde électromagnétique Influence du milieu Dans le vide, V=c= 3,00.108 m.s-1 Dans l’eau, V= 2,25.108 m.s-1 c V = = λν n Vide 1 Air 1,000293 Eau 1,33 Verre 1,5 Diamant 2,42 Cours N. Delorme – L1 La vitesse de la lumière dépend du milieu V = vitesse de la lumière dans le milieu, c = vitesse de la lumière dans le vide n = indice de réfraction du milieu c λ= nν 2009-2010 Onde électromagnétique Grandeurs à retenir La longueur d’onde λ (en m) Mais on exprime souvent λ en fonction du domaine considéré: - μm dans l’infrarouge (IR), - nm en ultraviolet-visible, - Å pour les rayons X. (1 nm = 10 Å). La fréquence ν (en s-1) mais généralement on utilise le Hertz (Hz) La période T (en s) La pulsation ω (en rad.s-1) La vitesse de la lumière dans le vide c=3.108 m.s-1 Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Onde électromagnétique Spectre électromagnétique Rayons γ Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Ondes radio 1mm Longueur d’onde 400nm 450 Cours N. Delorme – L1 500 580 620 800nm 2009-2010 Sources de lumière Types de sources 3 types de sources Sources émettant un spectre continu. Ex: Soleil, étoiles, lampe à filament Un corps porté à incandescence émet de la lumière sur un spectre continu (corps noir) Sources émettant un spectre discontinu. Ex: lampe à décharge: Néon, lampe à vapeur de mercure… On réalise des arcs électriques dans une ampoule contenant du gaz ⇒ emission discontinue (certaines longueur Laser Source de lumière monochromatique et très directive Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Sources de lumière Mono- et poly-chromatiques Un lumière polychromatique est la somme d’onde de différentes longueur d’onde. La lumière blanche est une lumière polychromatique contenant toutes les longueurs d’onde du visible. On appelle lumière monochromatique une lumière n’ayant qu’une seule couleur c’est-à-dire composée d’une seule onde de longueur d’onde. Les lasers sont monochromatiques. Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Conclusion Questions air source verre eau 400nm 450 500 580 620 800nm Q.1: Calculer la longueur d’onde en nm d’une onde de fréquence 3,75.1014 Hz traversant successivement l’air (n=1), l’eau (n=1.33) et le verre (n=1.5). Q.2: Donner la couleur perçue par l’observateur lorsque la lumière traverse chacun de ces milieux. Q.3: Commenter cette photo tirée de la saga Star Wars. Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Chapitre 2 Bases de l’optique géométrique Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Optique géométrique Notion de rayon lumineux Caractéristiques d’un milieu: Un milieu est dit homogène si il a la même composition en tous ses points. Un milieu est dit isotrope si ses propriétés sont les mêmes dans toutes les directions. Un milieu est dit transparent si le milieu n’absorbe pas la lumière. Rayon lumineux Rayon lumineux= direction de propagation de l’onde : ⊥ fronts d’onde Source lumineuse Front d’onde Optique géométrique = Etude de la propagation des rayons lumineux dans les milieux transparents Valable si le milieu est homogène à l’échelle de λ Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Optique géométrique Faisceau lumineux Le rayon lumineux n’a pas d’existence: c’est un modèle On ne peut pas l’isoler car il faudrait un trou de taille inférieur à λ ⇒ optique physique Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux Faisceau divergent Cours N. Delorme – L1 Faisceau convergent Faisceau parallèle 2009-2010 Questions Q.1: Pour un objet très éloigné d’une source lumineuse ponctuelle, comment sera le faisceau lumineux? Justifier par un dessin. Q.2: Peut-on appliquer les simplifications de l’optique géométrique (rayons) à des ondes radio de fréquence f=100 MHz se propageant dans une chambre ? Q.3: Quelle erreur commet-on lorsqu’on utilise le terme « rayon laser »? Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Optique géométrique Principes Principe n°1 Dans un milieu homogène, isotrope et transparent (MHIT) la lumière se propage en ligne droite. Exemple: ombre d’un objet Soleil objet ombre Principe n°2 : (principe de retour-inverse) Le trajet d’un rayon lumineux à travers un système optique n’est pas changé si le sens de propagation est inversé. Exemple: si vous voyez quelqu’un dans un miroir il peut vous voir Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Optique géométrique Principes (suite) La surface séparant deux milieux distincts est appelée dioptre. Le plan contenant le faisceau incident, le faisceau réfléchi et le faisceau réfracté est appelé plan d’incidence. Il contient la normale au dioptre au point d’incidence. Lorsqu’un rayon incident atteint le dioptre au point d’incidence, il peut apparaître un rayon réfléchi et un rayon réfracté. rayon incident point d’incidence rayon réfléchi i1 i1’ dioptre i2 Normale au dioptre n1 n2 rayon refracté Principe n°3 : A la surface de séparation entre deux milieux (dioptre), les rayons lumineux suivent les lois de Snell-Descartes. Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réflexion 1ere loi de Snell-Descartes 1ere loi de Snell-Descartes: angle d’incidence = angle de réflexion i 1 = i1 ’ rayon incident point d’incidence rayon réfléchi i1 i1’ n1 dioptre n2 Normale au dioptre Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réflexion Construction des rayons réfléchis Construction des rayons réfléchis → Symétrique du rayon incident par rapport à la normale au dioptre ⇒ rapporteur, règle ⇒ équerre rayon incident i1 i1’ Cours N. Delorme – L1 rayon réfléchi 2009-2010 Réflexion Réflexion spéculaire et diffuse En fonction de la morphologie du dioptre, il existe deux types de réflexion: Surface plane: Surface rugueuse: L’œil voit l’objet comme s’il était en dessous de la surface Image déformée Réflexion spéculaire Réflexion diffuse Rq: Pour un miroir il faut que la taille des défauts soient <λ Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réflexion Questions Q.1: Tracer les rayons incidents et réfléchis de manière à ce que l’observateur puisse voir la bougie. Q.2: Où se trouve l’objet pour l’observateur? Miroir Observateur Objet Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Fin du cours N°1 Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction 2e loi de Snell-Descartes Réfraction: la direction et la vitesse d’un faisceau de lumière sont modifiées lorsqu’il traverse un milieu transparent de densité optique différente (n). rayon incident point d’incidence rayon réfléchi i1 i1’ n1 dioptre i2 Normale au dioptre n2 rayon refracté 2e loi de Snell-Descartes: 1) Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence 2) Le rayon réfracté est tel que: n1×sin(i1) = n2×sin(i2) Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Construction des rayons réfractés Construction de Reusch: 1er cas: n1<n2 n2 rayon incident i1 n1 i2 rayon réfracté Quel que soit i1, le rayon réfracté existe toujours et se rapproche de la normale Q.1: Vérifier géométriquement la deuxième loi de Snell-Descartes Q.2: Tracé le rayon réfracté pour i1=30° n1=1 (air) et n2=1,33 (eau) Q.3: Calculer l’angle i2max Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Construction des rayons réfractés (suite) 2e cas: n1>n2 rayon incident n1 rayon incident i1 i1 n2 i2 n1 n2 rayon réfracté Pas de rayon réfracté! Lorsque le rayon réfracté existe (i1 < iL) il s’écarte de la normale. Pour un angle d’incidence i1 > iL, il n’y a pas de rayon réfracté, seul subsiste le rayon réfléchi : il y a réflexion totale de la lumière sur le dioptre. Q.1: Déterminer l’angle limite iL en fonction de n1 et n2 Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Angle limite et réflexion totale 1er cas: n2>n1 Le rayon réfracté existe toujours et son angle maximum est: ⎛n ⎞ i 2 max . = arcsin ⎜ 1 ⎟ ⎝ n2 ⎠ 2e cas: n2<n1 Le rayon réfracté n’existe que si l’angle i1 est inférieur à un angle limite (iL): ⎛n ⎞ iL = arcsin ⎜ 2 ⎟ ⎝ n1 ⎠ Si i1 > iL, alors le rayon incident est totalement réfléchi: il n’y a pas de réfraction. Il y a toujours une réflexion mais pas toujours une réfraction Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Déformation des images Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Mirages Mirages inférieurs Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Mirages Mirages supérieurs Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Mirages Explications Cours N. Delorme – L1 2009-2010 Réfraction Influence de la longueur d’onde : dispersion L’indice n dépend de λ: n(λ ) = A + B λ² Prisme Formule de Cauchy ⇒ n ↑ quand λ ↓ Air Formation d’un arc-en-ciel Verre n2 n1 Dispersion Cours N. Delorme – L1 2009-2010
