Le laser : un outil pour mesurer de très petites distances

Le laser : un outil pour mesurer de très petites distances
Document 1 : La petite histoire du CD
Le CD (disque compact) fut inventé par les firmes Philips et Sony en 1979. Afin de pouvoir enregistrer les 2
faces de n'importe quels 33 tours sur un seul CD, les ingénieurs de Philips décidèrent que sa durée serait de 60'.
C'est ainsi que les premiers prototypes mesuraient 11,5 cm de diamètre.
Mais l'épouse du P-d.g de Sony était une grande adepte de la 9ème symphonie de Beethoven. Elle désirait
pouvoir écouter la totalité de cette symphonie sur un seul et même disque. Les recherches ont trouvé une
interprétation de la 9ème Symphonie, dirigée par Wilhelm Furtwängler, dont la durée était de 74 minutes et 33
secondes. C’est ainsi que dans les spécifications du Redbook paru en 1980, qui dresse les caractéristiques
techniques standards de ce que devront être les Compact Discs, la durée maximale d’un CD a été portée à 74
minutes et 33 secondes pour un diamètre de 12 cm.
Document 2 : Description d'un CD
Le CD permet de stocker des informations numériques, c'est-à-dire correspondant à 650 Mo de données
informatiques.
Les données sont inscrites sur un sillon en spirale, qui fait près de 5 km de long,
du centre vers l’extérieur et compte 22188 tours.
La distance entre deux sillons consécutifs est appelée le pas du CD.
La piste est lue sur la face inférieure par un faisceau laser qui sera réfléchi par une
fine couche d'or ou autre métal.
Illustration 1: sillon d'un
CD : une piste en spirale
Illustration 2: coupe d'un CD selon son rayon
Le DVD exploite un support semblable à celui du CD puisque ses dimensions sont les mêmes (disque de
120 mm de diamètre ou une version mini de 80 mm). Toutefois, les principales différences techniques
concernent d’une part la densité / capacité de stockage-enregistrement et d’autre part, les procédés et
traitements numériques (logiciels) pour leur sauvegarde. Le laser DVD exploite une longueur d’onde de 635
ou de 650 nm d'une puissance de 100-200 mW~, pour une ouverture numérique de 0,60, ce qui procure un
écart de piste de 740 nm et une longueur minimale d’alvéole de 400 nm, le diamètre du spot laser étant de
650 nm.
CD
DVD
Document 3 : figure d’interférences
Lorsqu’on envoie un faisceau laser sur un support optique, le faisceau laser, de diamètre égal à quelques
millimètres, intercepte plusieurs sillons de la piste. Les microreliefs des différents sillons atteints par le faisceau
laser jouent le rôle de sources secondaires. Les faisceaux réfléchis par les différents microreliefs et qui
interférent de façon constructive génèrent des taches brillantes (doc. d). On utilise le dispositif ci-après.
Sécurité : pour éviter toute lésion oculaire, ne jamais regarder directement le faisceau et ne pas
le pointer vers une personne. Faire attention aux réflexions du faisceau.
Document 4 : pas a du disque optique
avec λ la longueur d’onde de la lumière laser.
Document 5 : incertitudes
On considère que l’incertitude U(λ) sur la longueur d’onde λ du laser est nulle. L’incertitude U(a) sur le pas a
du disque optique est donnée par la relation :
À l’aide du matériel mis à disposition, rédiger un protocole expérimental détaillé, qui permet de montrer qu’un
DVD stocke plus d’informations qu’un CD, sur une même surface.
Exprimer, en fonction de son incertitude, le résultat de la mesure expérimentale et en déduire un encadrement
de cette grandeur.