Lycée CHAPTAL – PC* E. FREMONT Travaux pratiques – Série 2 Optique : Spectroscope à réseau - Application à la mesure de l’épaisseur d’une lame de mica Objectifs du TP : Revoir l’utilisation d’un goniomètre (réglages, lecture au vernier…). Réaliser l’étalonnage d’un spectroscope à réseau. Envisager une application des interférences en lumière blanche dans le domaine de la métrologie. Matériel à disposition : 1 goniomètre, 1 lampe à vapeur de mercure, 1 lampe blanche, 1 réseau de diffraction d’environ 600 traits/mm, 1 lame de mica montée sur support, 1 ordinateur avec tableur (EXCEL, REGRESSI ou autre) Introduction Le mica est une roche très répandue dans les roches éruptives ou métamorphiques, ainsi que dans quelques roches sédimentaires. Il présente un grand nombre de propriétés (clivage régulier et aisé, grande flexibilité, élasticité, transparence, éclat, très faible conductivité électrique et thermique…), qui en font un minéral très intéressant dans le champ applicatif. Une fois clivé en feuilles (i.e. en lames), ses principales applications contemporaines sont les suivantes : rubans pour isolation des barres de cuivre dans les moteurs et alternateurs à haute tension ; couche diélectrique (isolant) dans les condensateurs haute tension et haute fréquence ; rubans pour protection anti-feu des câbles électriques dans les installations où les exigences de sécurité sont importantes (tunnels, bateaux, aéroports, hôpitaux, métro, etc...) ; plaques de chauffage pour applications industrielles ou appareillage électroménager (grille-pain, sèche-cheveux, four à micro-ondes, etc.) ; … Le mica a remplacé l'amiante dans un certain nombre d'applications à haute température ou de protection contre l'incendie, car il ne présente pas du tout de risques analogues (matériau inerte, non toxique). On dispose dans ce TP d’une lame mince de mica, montée sur un support horizontal, dont on souhaite déterminer l’épaisseur. TP 6 - Optique Page 1 sur 4 Lycée CHAPTAL – PC* E. FREMONT A. Principe de la mesure On éclaire la lame mince de mica (d’épaisseur quasi constante e et d’indice uniforme n 1,596 dans le domaine des longueurs d’onde du jaune-vert) par une source de lumière blanche, sous incidence quasi normale, à travers une lame semi-réfléchissante. Les faces avant et arrière de la lame étant réfléchissantes, on forme ainsi un dispositif interférentiel par division d'amplitude. Les deux ondes réfléchies qui interfèrent ont la même direction de propagation. La lumière sortant du dispositif interférentiel est analysée avec un spectroscope à réseau (i.e. un réseau monté sur un goniomètre). Pour une vibration incidente monochromatique de longueur d’onde , la différence de marche, au niveau de la fente d’entrée du spectroscope, entre les deux vibrations réfléchies qui interfèrent s'écrit : 2ne 2 En effet, la différence de parcours entre les ondes réfléchies par les faces avant et arrière est de 2ne , et (on admet que) la réflexion de la lumière sur la face arrière introduit un déphasage supplémentaire de , ce qui correspond à une différence de marche supplémentaire de . 2 En présence d’une source de lumière blanche, justifier que l'on observe un spectre cannelé avec le spectroscope à réseau. A quoi correspondent les longueurs d’onde absentes du spectre ? En notant q et q N deux longueurs d'onde correspondant à deux cannelures du spectre et N 1 le nombre de cannelures intercalées entre ces deux cannelures, justifier que : e N q q N 2n q N q On peut donc mesurer l’épaisseur de la lame de mica en déterminant les longueurs d’onde associées à deux cannelures du spectre. TP 6 - Optique Page 2 sur 4 Lycée CHAPTAL – PC* E. FREMONT B. Etalonnage du spectroscope # Rappel des notations On note i la direction d’incidence du faisceau issu du collimateur du spectroscope sur le réseau, repérée par rapport à la normale au réseau. On repère par l’angle la direction d’observation (cf. schéma ci-après), toujours repérée par rapport à la normale au réseau. On rappelle la formule des réseaux, qui donne la direction de l’image d’ordre k d’une vibration de longueur d’onde , formée par un réseau de pas a : sin k sin i k a (k ) Lorsque l’on pointe l’image d’ordre k d’une vibration à l’aide du spectroscope, on note k l’azimut de la lunette lu sur le vernier du goniomètre. A priori, k k car le zéro du vernier ne coïncide pas nécessairement avec la normale au réseau ( k k cste ). # Pourquoi étalonner ? En pratique, on ne peut pas déterminer les longueurs d’onde associées aux cannelures du spectre par la méthode du minimum de déviation. En effet, le suivi « à l’œil » d’une cannelure précise pour trouver son minimum de déviation s’avère compliquée. Pour mesurer les longueurs d’onde des cannelures, on utilise une courbe d’étalonnage. A l’aide d’une source connue (une lampe à vapeur de mercure par exemple), on étalonne le spectroscope en traçant la courbe k f , pour un ordre k donné. On obtient une courbe dont l’équation est donnée par : k k ( ) 0 i arcsin sin i k a 0 i où 0 désigne l’azimut de l’ordre 0 et i l’angle d’incidence du faisceau issu du collimateur sur le réseau. Cet étalonnage nous permettra ensuite de lire directement sur la courbe la longueur d'onde d'une radiation inconnue, simplement en mesurant son azimut dans l’ordre k . On remarque au passage qu’il n’est alors pas nécessaire de connaître i , 0 et a. TP 6 - Optique Page 3 sur 4 Lycée CHAPTAL – PC* E. FREMONT # Construction de la courbe d’étalonnage Régler la lunette et le collimateur du goniomètre, puis placer la lampe à vapeur de mercure devant la fente du collimateur. Repérer le spectre d’ordre 1. Orienter la plate-forme du goniomètre pour que le réseau soit au minimum de déviation pour la raie verte intense du mercure, dans le spectre d'ordre 1. Bloquer la plate-forme jusqu’à la fin du TP. Quel intérêt y-a-t-il à se placer au minimum de déviation de la raie verte ? Pour chaque raie de la lampe à mercure, dans le spectre d'ordre 1, mesurer l'azimut 1 . Couleur Intensité λ (en nm) Rouge Pâle 623,4 Jaune Intense 579,1 Jaune Intense 577,0 Vert – Jaune Très intense 546,1 Vert Très pâle 497,4 Bleu – Vert Pâle 491,6 Bleu – Violet Intense 435,8 Violet Pâle 407,8 Violet Intense 404,7 1 Tracer la courbe 1 f ( ) sur papier millimétré ou à l’aide d’un tableur. C. Analyse du spectre cannelé produit par la lame Réaliser le montage interférométrique décrit dans la partie A. La lame de mica doit être éclairée par une onde plane donc le filament de la lampe doit être placé dans le plan focal d'une lentille de courte focale. Vérifier que le réglage en hauteur et que l’alignement des différents éléments est correct. On veillera à ce que l’image obtenue à travers le spectroscope soit la plus lumineuse possible. Observer le spectre cannelé d’ordre 1 à travers le spectroscope, sans toucher à l’orientation du réseau. Pointer deux cannelures séparées de 9 autres (N = 10), dans le vert jaune, et mesurer les longueurs d'ondes correspondantes grâce à la courbe d'étalonnage. En déduire l’épaisseur de la lame et évaluer l’incertitude associée. TP 6 - Optique Page 4 sur 4