X Physique et Sciences de l’ingénieur MP 2007 — Énoncé 1/13
ÉCOLEPOLYTECHNIQUEFILIÈREMP
OptionPhysique etSciencesdel’Ingénieur
CONCOURSDADMISSION2007
COMPOSITIONDEPHYSIQUE ETSCIENCESDELINGÉNIEUR
(Durée :4heures)
Lutilisation descalculatricesestautorisée pourcette épreuve.
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Optique adaptative
Loptiqueadaptative estunetechniquequipermetde corrigerentempsréel lesdégradations
desimagesdesastresduesàlapropagationàtraverslaturbulence atmosphérique.Cettepro-
pagationintroduitdesdiérencesdemarchespatialeset temporellesaléatoires surlesfaisceaux
optiques.Lesondesincidentes surletélescope, issuesdunesource lointaine,nesontdoncplus
desondesplanesetlesdimensionsdesimagesforméesaufoyernesontplusdéterminéesparla
diraction del’ouverturedu télescope.
Unsystèmedoptiqueadaptative(gure1)estconstituédun analyseurdefrontdondequi
estenchargedelamesure entempsréeldesperturbationsdu faisceaulumineux,dun miroir
déformablepermettantd’introduiresurlefaisceau desdiérencesdemarcheopposéesàcellesde
laturbulence pourenassurerlacorrectionentempsréeletenn dun calculateureectuantle
traitementdu signaldel’analyseurpourle calculdelacorrectionetl’application descommandes
aumiroirdéformable.
Lapremièrepartietraitedelaformation duneimage,etprésentequelquescaractéristiquesde
laturbulence,pourestimerladégradation del’imagedueàceteetperturbateur.Lespropriétés
du modèlede comportementdun miroirmodulable,élémentdelachaînedoptiqueadaptative
pourcorrigerlefrontdondeperturbé,sontdéveloppéesen deuxièmepartie.Latroisièmepartie
exposedeuxtechniquespourévaluerlesdéformationsdu frontdonde.Labouclederégulation
dun systèmedoptiqueadaptative estenn décritedans sonenvironnement.
Constantesphysiques
léritédelalumièredanslevidec=3,00 ×108m·s1
constantedu gazparfaitRGP=8,31 J·K1·mol1
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Figure1.Chaînedoptiqueadaptative
1.Formation d’image et turbulence
1.1.Onconsidèreunefentedelargeuraetdelongueurgrandedevantsalargeur;elle est
éclairée,sousuneincidence voisinedelanormale,paruneondeplanemonochromatiquede
longueurdondeλ.Onsupposedeplusa>> λ.
1.1.1.Donnerun énonqualitatifdu principedeHuygens-Fresnel.
1.1.2.Déterminerl’expression del’intensitélumineusedelaguredediraction « àl’inni»,
enfonction del’angleαquefaitladirection dobservationavec ladirection del’ondeincidente.
On désigneraparI0lavaleurdu maximumd’intensité.
1.1.3.Exprimerlapositionangulairedelapremièrefrangenoire enfonction delalongueur
dondeλetdelalargeura.
Danstoutleproblème,on nes’intéresseraquàunedescriptionmonodimensionnelledela
tachedediraction dun dispositifoptique.Onconsidéreraquel’expressiontrouvée dimensionne
convenablementlerayon du premieranneausombredelaguredediractionàl’innicréée par
un diaphragme circulaire.
1.2.Létudesuivanteapourbutdemettre enévidence l’un desaspectsdeladégradation de
l’imagedunesource ponctuelleparlaturbulence.
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Onconsidèredeuxfentes,delargeura,séparéesdeladistance b.Ons’intéresseàlagurede
diraction « àl’inni» de ce système.Lesdimensionsaetbsont trèsgrandesdevantlalongueur
dondeλdu rayonnementconsidéré.
1.2.1.Onsupposequelesfentes sontéclairéesparunesource monochromatique,donnantun
frontdondeplan parallèleau plan desfentes.
a)Donnerl’amplitudepuisl’intensitédiractéesàl’innidansunedirectionformantlangle
αavec ladirection del’ondeincidente.
b)Préciserlerôledesdeuxdimensionscaractéristiquesaetb.
1.2.2.Onsupposemaintenantquelapartiedel’ondearrivantsurl’unedesfentespossèdeun
décalagedephaseψ.
Quelleinuence ce déphasageinduit-il surlaguredediraction?
1.2.3.Cedéphasageψvarieaucoursdu temps.Quelle conditionsurψassurelavisibilitédes
franges(déplacement trèsinférieuràlalargeurdunefranged’interférence)?
1.2.4.Onsupposequeledéphasageψvarierapidement,eninduisantdesvariations surle
frontdondeplusgrandesquunelongueurdonde.Un détecteurplan plaà grandedistance
enregistrelerayonnementdiractédurantun certainlapsdetemps(tempsdepose).
Quelle estl’alluredel’imageobtenueavec un tempsdeposepluscourt queletempscarac-
téristiquedesvariationsdeψ?
Mêmequestionavec un tempsdeposelongdevantce tempscaractéristique.
1.3.Létudeprécédente estcomplétée iciparuneanalyseplusne.Àl’abscissex, laphase
del’onde,quiuctuerapidement,estconsidérée commeunevariablealéatoiredevaleurϕ(x,t)
àl’instantt;onsupposesavaleurmoyennetemporellenulle,soithϕ(x,t)i=0.On pose
ψ(x+δ,x,t)=ϕ(x+δ,t)ϕ(x,t).Cedéphasage estaussiunevariablealéatoire;savariance
Dϕ(δ)=¨|ϕ(x+δ,t)ϕ(x,t)|2estsupposée stationnaire etuniquementfonction del’écart δ
(invariance par translationstemporelle etspatiale).
1.3.1.Reprendrele calculeectué en1.2.1.a avec deuxfentes séparéesdebpourobtenir
l’amplitude,puisl’intensitéI(α,t).
1.3.2.Pourunevariablealéatoiref(t)dontlastatistique estdonnée parunegaussienne et
devaleurmoyennenulle,onmontrequehexp[if(t)]i=expî1
2¨|f(t)|2ó.Lesuctuationsde
phase étantduesàun trèsgrand nombredeparamètres,onadmettraquellesobéissentàce type
destatistique.
En déduirel’intensitémoyenneI(α)=hI(α,t)ienfonction deDϕ(b).
1.3.3.Onsupposeab.On dénitun facteurdevisibilitédesfrangesΓparΓ=ImaxImin
Imax+Imin
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oùImaxetIminsontlesintensitésdun maximumetdun minimumvoisins.ExprimerΓàl’aide
deDϕ(b).
1.3.4.Uneanalysethéoriquedesuctuationsprévoitunevariance delaforme
Dϕ(δ)=Åδ
δ0ã5/3
oùδ0estunedimensioncaractéristique.Calculerenfonction deδ0lava-
leurdebpourlaquelleΓ=0,1.Quelestl’intérêtdelacomparaison de cettevaleuravec le
diamètredu miroirdu télescope?
1.4.Lesperturbationsduesàlaturbulence sontliéesaux variationsd’indice deréfraction de
l’air.Cetindice dépend desamassevolumiqueρ,vialarelationempiriquedeGladstone:
n1=Kρ.
1.4.1.Exprimernenfonction delatempératureTetdelapressionp;onsupposequel’air,
demassemolaireM,obéitàl’équation détatdu gazparfait.
DéterminernumériquementlaconstanteK,sachantque,danslesconditionsnormalesde
pressionet température(1,013 ×105Pa,293 K),n=1,00029.
1.4.2.Par rapport àunesituation déquilibredel’atmosphèredécriteparT(z)etp(z),des
uctuationsdetempérature etdepressionsemanifestent respectivementpardesécartsδTet
δp.Exprimerlarelationentre cesuctuationsetcellesδndel’indice quellesinduisent.
A.N.Onadmetquel’équilibre en pressionest,auregard desphénomènesétudiés,quasiment
instantané.Quelleuctuation d’indice découleduneuctuation detempératureδTde0,1K
dunepart au niveau delamer (20C),dautrepart àl’altitude correspondantàunepression de
100 hPa(50C)?
Pourquoi lescoucheslesplusbassesdel’atmosphèreapportent-elleslaplusforte contribution
auxuctuationsd’indice ?
1.4.3.Onsupposequel’essentieldelaperturbation d’indice (δn)provientduneseule couche
turbulente,defaible épaisseurhàl’altitudezobs.Établirl’expression deδL,surcroîtde chemin
optiqueàδnlorsdunetraversée verticale.
A.N.Onmesureun décalageδLdel’ordrede1µmpouruneperturbationlimitée àune
couchelocalisée prèsdu soldehauteur30 m.En déduirelauctuationrelativedetempérature
associée àcetteperturbation.
1.5.Lanalyse eectuée en1.3permetdemodéliserlacoucheturbulenteparunejuxtaposition
de zones,appeléescellules,detaille caractéristique(gure2).Ons’intéresseàlapropagation
duneondeinitialementplane,monochromatiquedelongueurdondeλ.Chaque celluleintro-
duitlorsdelapropagation un déphasage(par rapport auvide)uctuantetincohérentavec les
déphasagesdescellulesvoisines.Lobservationalieuàunedistance Ldelacoucheturbulente.
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frontdonde
plancellulesdelazone
deperturbation
Figure2.Modélisationdune coucheturbulente
1.5.1.Quelétalementangulaireladiraction parlacelluledetaille caractéristiqueva-t-elle
provoquer?
1.5.2.Montrerquauxdistancesplusgrandesquunelongueurdel’ordrede2/λ, il ya
superposition desfrontsdondeissusde cellulesvoisines.
A.N.Calculercettelongueurpourλ=0,5µmet=0,1m.
1.5.3.Letempscaractéristiqueτdel’évolution delaturbulence estliéàlavitessevdesvents
enaltitude.Exprimerτenfonction desgrandeurspertinentes.
A.N.Évaluerτpourunevitessevdel’ordrede20 m·s1.
1.6.LesobservationsréaliséesautélescopeCFHT,àHawaï,dediamètredu miroirprimaire
(miroircollecteur) D=3,6m,montrentun étalementdel’imagedun objetponctuel(une
étoile)del’ordrede0,5danslesmeilleuresconditions,enlumièrevisibleàlalongueurdonde
λ=0,5µm.
1.6.1.Quelle estl’originephysiquede cetétalement?En déduireune estimation de.
1.6.2.Pourun télescopedemiroirprimairedediamètreDetdansdesconditionsdetur-
bulencescaractériséespar,quelleaméliorationenrésolutionangulairepeut-onattendresion
équipeletélescopeduneoptiqueadaptative?
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