LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS

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1 LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Titre du stage: Réalisation d une Fontaine lumineuse RAPPORT DE STAGE : BTS Génie Optique photonique, Lycée Fresnel Etudiante : SURIAKUMAR Thuvaraka Tuteur Mr Sébastien FORGET Stage du 21 mai 2007 au 30 juin 2007

2 REMERCIEMENTS Par ce présent rapport, je tiens à remercier la direction de Laboratoire de Physique des Lasers de m avoir accueilli durant 1 mois et demi de stage (période du 21 mai 2007 au 30 Juin 2007) au sein de leur équipe. Je remercie Mr. Sébastien FORGET, mon tuteur, maître de conférences et enseignantchercheur, de m avoir fait confiance et de m avoir permis de réaliser ce stage dans les meilleures conditions possibles. Je tiens à remercier Mr. Michel FOSSE et Mr. Albert KALADJIAN, Techniciens Mécaniciens, pour leurs conseils, leur professionnalisme et la bonne humeur dont ils ont fait preuve à mon égard durant ce stage. Je souhaite également faire part de ma reconnaissance à Mr. Paul-Éric POTTIE, Mr. Thierry BILLETON, Mr. Laurent PHILIPPET, Mme Martine ALSTERS et Mme Nathalie FROGER pour leur accueil chaleureux et leur aide. Enfin, je remercie l ensemble de mes professeurs qui m ont permis d approfondir mes connaissances dans le domaine de l Optique. 1

3 SOMMAIRE 1. INTRODUCTION LE LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASER...5 Historique et présentation de l Université Paris Formation adaptée Mission internationale Paris 13 d aujourd hui...6 Historique du Laboratoire LPL...6 Présentation du Laboratoire Les thèmes de recherche Les équipes de recherche Les ateliers et l administration...10 Présentation de l équipe LUMEN...12 Organigramme...14 Identification de mon poste...14bis Localisation CREATION D UNE FONTAINE LASER...16 But du projet...16 Matériels nécessaires...16 Principe...16 Réalisation de la Fontaine Détermination du meilleur jet d eau Mélanges de couleurs La Fontaine...23 Analyse des résultats

4 4. CREATION D UN EFFET MIRAGE...27 Qu est ce qu un mirage...27 Les matériels nécessaires...29 Le mirage et l analyse CONCLUSION TECHNIQUE...35 En français...35 En Anglais CONCLUSION GENERALE...36 Français...36 Anglais ANNEXES

5 INTRODUCTION Etudiante au Lycée Fresnel à Paris 15 ème, j ai choisi, afin de valider ma première année de BTS en Génie Optique, option Photonique, d effectuer ma période de stage au sein du Laboratoire de physique des Lasers de Institut Galilée à l Université Paris 13 de Villetaneuse. Cette période en milieu professionnel a débuté le 21 mai 2007 et s est terminée le 30 juin A mon arrivée, j ai été reçue par Mr. Pottie Paul-Eric, Ingénieur et membre de l équipe COMETA, il m a présenté tout le personnel de l équipe. Ensuite on est parti voir mon tuteur de stage Mr. Sébastien Forget qui m a expliqué le fonctionnement général, les consignes de sécurité ainsi que le projet que je devais réaliser. Le Laboratoire voulait créer des expériences simples comme la fontaine lumineuse et le mirage pour la vulgarisation scientifique. L expérience de la fontaine lumineuse avait déjà été réalisée par d autre stagiaire, mais ma mission était de l améliorer afin qu elle soit plus spectaculaire. L expérience de l effet mirage a été trouvée sur le site : Mon travail a commencé dès le premier jour en déterminant les points précis concernant la réalisation du projet. La première partie de ce rapport porte sur une présentation du Laboratoire, une deuxième partie est consacrée à la réalisation de la fontaine lumineuse, puis une troisième partie sur les explications et la réalisation de l effet mirage. Toutes les informations qui figurent dans ce rapport proviennent soit de documents internes, soit du site du Laboratoire ou bien des membres de l équipe. 4

6 2. LE LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le Laboratoire de Physique des Lasers (LPL) est une Unité Mixte de Recherche du C.N.R.S (Centre Nationale de Recherche Scientifique) depuis le 1 er Janvier 1997 (UMR 7538 du département MIPU). Inséré au sein de l Institut Galilée de l Université Paris Historique et présentation de l Université Paris 13 : L Université Paris13 a été créée en 1970, c est un pôle exceptionnel de formation et de recherche scientifique du Nord de Paris. Avec son centre hospitalouniversitaire, elle couvre la quasi-totalité des champs disciplinaires et s appuie sur ses 33 laboratoires reconnus par les grandes institutions scientifiques (CNRS, INSERM «Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale» ) Formation adaptée : Paris 13 accueille tout type de publics (étudiants, salariés, demandeurs d emploi), dans toutes les filières de formation (initiale, continue, avec validation des acquis de l expérience, à distance), dispense tout type d enseignements (général, professionnel, spécialisé) et offre un très large spectre de disciplines enseignées. Depuis septembre 2004, l Université est entrée dans le système LMD (Licence-Master- Doctorat) avec 5 domaines de formation : - Humanités, science de l Homme et du comportement ; - Droit et science politique ; - Sciences économiques et de gestion ; - Sciences, technologie, santé ; - Culture et communication Soucieuse de l insertion professionnelle de ses étudiants, Paris 13 s est adaptée aux exigences des recruteurs. Elle est reconnue pour ses formations professionnalisantes et pour ses formations classiques. Dans le monde professionnel où la polyvalence est une exigence, Paris 13 favorise la transversalité et les passerelles entre différentes disciplines telles que droit et informatique, communication et économie, psychologie et biologie... Les équivalences européennes, et donc l ouverture de l Université, sont facilitées avec le système LMD en place à Paris 13 depuis septembre

7 Mission internationale : Paris 13 rayonne dans le monde entier. Elle s engage dans de solides et nombreux partenariats dans le cadre de programmes d échanges européens et internationaux : Socrate, Leonardo, Erasmus... en Europe ; Micefa, Tempus, Crepuq... à l international. Elle joue un rôle moteur dans la collaboration avec les pays en voie de développement, en formation et en recherche. L ingénierie de formation à l étranger est devenue un axe majeur de développement concrétisé par la création d un service de relations extérieures pour la formation continue. Paris 13 a signé 140 conventions ou accords de coopération avec les universités étrangères. Elle a obtenu le label de qualité lié à la charte universitaire Erasmus et enfin elle fait partie du réseau des centres de mobilité des chercheurs mise en place par l Union européenne, grâce à l appui de la région Ile-de-France Paris 13 aujourd hui : Paris 13 structure le territoire environnant. A la fois client et fournisseur, Paris 13 participe au développement économique local : - formation de personnels qualifiés pour les entreprises de son bassin d emploi, - accueil en stage ou apprentissage de ces professionnels en devenir par les entreprises de la région, - certaines de ces entreprises versent leur taxe d apprentissage à des filières de formation de l Université Paris 13. Paris 13 noue des relations avec les entreprises en participant notamment : - au pôle scientifique et technologique du nord-est francilien, - aux plateformes technologiques, - à l association du pôle audiovisuel, cinéma, multimédia du nord parisien, - à la maison des sciences de l Homme Paris nord, - au projet Maison internationale de l Illustration à Bobigny. Elle mène des réflexions et des actions avec la communauté d agglomérations Plaine Commune et avec l établissement public d aménagement Plaine de France Historique du laboratoire LPL : En 1971, la jeune université Paris Nord accueille, au sein du Centre Scientifique et Polytechnique situé alors à Saint-Denis, l équipe de recherche "Physique des Lasers" fondée par Ch.J. Bordé (académicien et il vient de Jussieu Paris6) et B. Decomps (directeur d enseignements supérieurs de l École Normale Supérieur ULM). En janvier 1974, elle obtient sa première reconnaissance par le C.N.R.S. en tant qu Equipe de Recherche Associée (ERA 459) et sera dirigée par Bernard Decomps jusqu en Entre-temps, le Centre Scientifique et Polytechnique déménagent à Villetaneuse en 1976 et l ERA 459 acquiert le statut de Laboratoire Associé (LA 282, future URA 282) en La direction du laboratoire a ensuite été successivement assurée par Christian Bordé de 1980 à 1982, Martial Ducloy de 1982 à 1993 puis Marc Himbert de 1994 à Les thèmes scientifiques fondateurs du laboratoire sont multiples: En premier lieu, se trouve le pompage optique et la spectroscopie d absorption saturée avec des lasers à CO2, à argon, 6

8 sur le néon et des molécules. Déjà les applications à la métrologie des fréquences grâce au développement de sources lasers stabilisées sont envisagées. La spectroscopie d ions moléculaires est introduite en 1973 par J.-P. Schermann rejoint par R. Barbé en Cette année 1976 est une phase importante de l expansion du laboratoire puisqu elle est marquée par l arrivée de J. Baudon qui développera son groupe autour des collisions d énergie modérée et par celle de M. Ducloy qui introduira de nouvelles méthodes d étude de spectroscopie laser. Un certain nombre de ces thématiques ont fait la réputation du laboratoire, elles ont évolué et continuent de nourrir quelques-uns de leurs axes de recherche. Le laboratoire, qui a fêté ses 25 ans en 1997, est aujourd hui structuré en huit équipes expérimentales. Il est constitué d environ soixante personnes: 9 chercheurs C.N.R.S., 22 enseignants chercheurs, 12 personnels techniques, 12 doctorants, auxquels s ajoutent les stagiaires et visiteurs étrangers. Les thèmes principaux du laboratoire sont la spectroscopie atomique et moléculaire à ultrahaute résolution, le développement de sources lasers stabilisées, la métrologie des fréquences, l interférométrie atomique et moléculaire, les sources d atomes froids ont été récemment développées en vue de ces applications, la diffusion de la lumière en milieux aléatoires et ses applications à l optique biomédicale, l étude des agrégats de van der Waals et des molécules d intérêt biologique. Récemment, un projet de Condensat de Bose-Einstein, appelé COMETA, avec des atomes de rubidium a été lancé. Une opération de valorisation appelée "nanolithographie optique et atomique" est actuellement soutenue par l Université Paris 13. Il implique l équipe "VUV" qui a développé une source cohérente à 125 nm et l équipe IOA dont les travaux viennent de conduire, le 27 septembre 1999, à la prise d un brevet sur la nanolithographie atomique par l Université et dont Jacques Baudon et Jacques Robert sont les inventeurs Présentation du laboratoire : Au Laboratoire de Physiques des Lasers (LPL), ils étudient les interactions entre ondes et matières, dans des domaines fondamentaux (physique atomique et moléculaire, spectroscopie ) ou plus appliqués (diodes électroluminescentes organiques, optique biomédicale ) et souvent pluridisciplinaires, aux interfaces avec la physique du solide, la chimie, la biologie ou les nano sciences. Ces études vont de l atome isolé jusqu au milieu vivant, en passant par les molécules simples ou biologiques, les agrégats et les matériaux. L onde est soit un outil pour accéder aux informations concernant le milieu, soit elle-même l objet d étude, qu il s agisse de lumière et de lasers ou d ondes de matière Les thèmes de recherche : Ils ont 4 thèmes de recherche structurants : Atomes froids et ultra-froids (Cs, Rb, Cr) et condensation de Bose-Einstein. Manipulation dans des potentiels optiques et étude des gaz quantiques dégénérés. Interaction laser systèmes simples : atomes ou molécules. Spectroscopie à très haute résolution. Applications à la métrologie des fréquences (IR, visible) et à des sources lasers ultra-stables. Interférométrie et optique photonique et atomique. Application à la nanolithographie et la nanostructuration de surfaces. 7

9 Étude par laser de la structure de systèmes plus complexes : agrégats moléculaires, biomolécules modèles, milieux aléatoires, tissus biologiques Les équipes de recherche : Leur laboratoire est organisé en huit équipes de recherche. Voici leurs thématiques : - Atomes froids Nanochrome AF : Fig. Vue partielle du montage expérimental montrant les faisceaux laser de refroidissement (bleu) et de repompage (rouge). Refroidissement laser d'atomes de chrome et de césium. Études en vue de l obtention de gaz quantiques dégénérés avec les isotopes bosonique et fermionique du chrome. Expériences d'optique atomique et d'interférométrie atomique avec des atomes de césium. Utilisation de sources atomiques cohérentes pour la fabrication de nano dépôts. - Agrégats Moléculaire d Intérêt Biologique : Energétique et Structures AMIBES : Etude en phase gazeuse de petits agrégats de molécules polaires et de biomolécules modèles (bases de l ADN, acides aminés, peptides, molécules pharmacologiques). Formations d anions dipolaires par transfert d électrons de Rydberg. Spectroscopie IR d espèces neutres et d ions biomoléculaires sélectionnés en masse. Dynamique de photofragmentation résolue en temps (fs) de peptides protonés. Calculs de Chimie quantique et modèles de champs de forces. - Condensat de Bose Einstein : Mesures et Applications COMETA : Condensation de Bose-Einstein (BEC) du 87 Rb. Applications à l étude des condensats dans des pièges très anisotropes et à l holographie atomique. Images en absorption d atomes ultra froids dans un piège magnétique (a), habillés par un champ RF (b) et (c). Le nuage contient 10ˆ6 atomes à 5 µk. (a), (b) et (c) montrent l accroissement de l anisotropie lorsque la fréquence RF augmente. 8

10 - Horloges optiques et tests fondamentaux par spectroscopie et interférométrie atomique et moléculaire HOTES : Spectroscopie moléculaire à ultra-haute résolution de l infrarouge au visible. Etude de formes de raies. Etude des effets de brisure de symétrie. Métrologie des fréquences optiques. Optique et interférométrie atomique et moléculaire Laser femtoseconde Titane-Saphir et son laser pompe, injectant une fibre microstructurée qui élargit le spectre du laser. Ce type de dispositif, qui permet de comparer deux fréquences quelconques, a révolutionné la métrologie des fréquences. Encart : spectre arc-en-ciel obtenu en sortie de la fibre. - Interférométrie et optique atomique IOA : Cohérences quantiques d ondes des matières, sur un jet d atomes métastables de gaz rares, de vitesse thermique ou sub-thermique, éventuellement polarisées en spin. Optique atomique à échelle nano-métrique. Interaction de Van der Waals élastique et inélastique avec des surfaces micro- et nano-structurées. Interférométrie atomique de Stern-Gerlach appliquée à la production de faisceaux ultra fins, de brillance et de cohérence élevées. - Lasers vuv, Matériaux Electroluminescents et Nanostructures LUMEN : L équipe LUMEN est une équipe à vocation pluridisciplinaire qui possède deux axes de recherche majeurs. Elle s intéresse d une part à la génération, à la détection, et aux applications du rayonnement cohérent dans l ultraviolet du vide, et d autre part à l étude de diodes électroluminescentes organiques (OLDEs) et de lasers organiques. En relation avec ce dernier thème, l équipe travaille également à la nanostructuration de composés organiques par laser. Source laser VUV par mélange à 4 ondes. 9

11 - Optique Cohérente à Résonance - OCR: Cellules de vapeur extrêmement minces. Les franges colorées, d origine interférentielle, permettent d évaluer l épaisseur locale, qui peut être inférieure à 50nm. Etude fondamentale des propriétés optiques d un atome libre au voisinage d une surface. Etude de l interaction van der Waals entre atome (excité) et surface réelle, éventuellement chaude. Spectroscopie de vapeurs confinées, notamment dans des «nanocellules» d épaisseur submicrométrique. Etudes théoriques de l interaction de surface avec des nano-objet ; études théoriques de l interaction d atomes avec des champs optiques possédant un fort moment angulaire orbital (Laguerre Gauss). - Optique et Problème de Transformation Inverse en Milieux Aléatoires OPTIMA : Etude fondamentale de la propagation de la lumière dans des milieux diffusants complexes. Application à la mise au point de méthodes de diagnostic médical Les ateliers et l administration : Et enfin leur laboratoire est équipé de quatre ateliers de service communs et une équipe administrative : - Mécanique : L atelier de mécanique, composé de 2 techniciens, participe dès l élaboration aux projets du laboratoire qui impliquent des travaux de mécanique en réalisant des études de faisabilité et en conseillant les équipes. Il assure également le suivi et la réalisation des travaux en concentration avec les chercheurs et en interaction avec les autres ateliers. Au-delà des réalisations de mécanique générale, un investissement régulier en matériel rend possible des travaux aussi divers que la soudure sous argon pour le vide et l ultravide (poste de soudure), les traitements de surface pour la réalisation de protections optiques (sableuse), les travaux de petite chaudronnerie et de serrurerie. La majeure partie des demandes, souvent très spécifiques, du laboratoire peut ainsi être traitée en interne. Support de précision pour jet supersonique. 10

12 - Electronique : L atelier d électronique est un pôle important du laboratoire. Il a pour mission d apporter des solutions expérimentales aux équipes dans le domaine de l électronique. Les activités principales du service consistent à analyser les besoins des équipes, à assister et conseiller les chercheurs sur les problèmes de mesures, à effectuer l étude et la réalisation d appareils électroniques ainsi que leur mise en service et leur suivi. Ces activités, orientées principalement vers l électronique associée aux instruments laser et à l acquisition de signaux optiques, utilisent des compétences et mettent en œuvre des savoir faire dans différents domaines : les systèmes d avertissement, le contrôle, l électronique bas bruit, la synthèse de fréquence, la radiofréquence, l électronique de puissance, la haute tension, la logique programmable, les systèmes micro-programmés, l acquisition de données et la programmation... - Optique : L optique est une des technologies primordiales pour le laboratoire. Composé d un parc de huit machines-outils, l atelier d optique offre la possibilité de réaliser des surfaces optiques de haute précision (λ/20), ainsi que des pièces de toute nature justifiables des procédés et techniques de l optique de précision, telles que le polissage de lentilles, de miroirs, de prismes, de coins de cube, en verre, silice ou dans divers types de cristaux. Ce savoir-faire peut être, le cas échéant, appliqué à d autres domaines : rodage et contrôle de planéité de surface métallique, usinage de vitrocéramique. Le contrôle topographique des surfaces polies s effectue avec un interféromètre de Fizeau. Il est également possible de réaliser des couches minces optique : dépôts métalliques ou diélectriques, contrôlés par une balance à quartz et un photomètre. Enfin, l atelier est associé au Réseau professionnel Optique et Photonique du CNRS ce qui favorise les échanges et les collaborations. Cellule (Ø 100mm) à interface de 10 microns, composée de 4 éléments assemblés par adhérence moléculaire. - Informatique : Le service informatique assure la maintenance du parc informatique du laboratoire tant sur le plan matériel que logiciel. Celui-ci est composé d une centaine de PC sous Windows 98 ou XP dédiés à des applications bureautiques ou d interfaçage avec les expériences. Il apporte son conseil et son aide pour la réalisation de solutions relatives à la gestion, la programmation ou le pilotage d expériences. Il met en place et développe les serveurs DHCP, Firewall et Internet. Il gère les relations avec le Centre de Ressources Informatiques de l UP13 pour les problèmes de réseau et de messagerie. Le réseau informatique local (100Mb/s) est relié par fibre optique à celui de l'université (1Gb/s). Il participe à la production des différents supports de communication du Laboratoire ; il prend plus particulièrement en charge le développement technique, la coordination et la mise à jour du site web du laboratoire. 11

13 - Administration : Composée de 3 personnes, l équipe administrative du laboratoire est en charge de toutes les questions financières, de gestion des ressources humaines, de logistique et de communication. Elle a ainsi la responsabilité, sous l autorité du directeur et en application de ses décisions, du budget et de son exécution, des achats et des missions, de l accueil des personnels et visiteurs et du suivi de leur carrière et démarches, de l entretien des matériels communs et des locaux, des relations administratives avec les tutelles (Université Paris 13, CNRS, Ministère), et de la communication du laboratoire tant interne qu externe Présentation de l équipe LUMEN : Un peu plus d explications sur les travaux actuels de l équipe LUMEN car c est au sein de cette équipe que j ai effectué mon stage. Ils ont développé au laboratoire une source cohérente VUV originale à 125 nm (10 ev), basée sur le mélange à quatre ondes résonnant dans une vapeur de mercure. Cette source présente l avantage par rapport aux dispositifs classiques d être très simple et compacte du fait de l utilisation d un seul laser pour générer les faisceaux interagissant avec le mercure et de l absence de chauffage de la cuve. La recherche de nouveaux concepts pour l amélioration du rendement est un de leurs axes de recherche prioritaires. Un développement récent consiste à vaporiser localement le mercure liquide, à l aide d un laser annexe, pour augmenter spatialement et temporellement la densité atomique et ainsi améliorer le rendement de conversion non-linéaire. La réalisation de structures à très faible pas par lithographie interférométrique à 125 nm est une des applications envisagée pour cette source. Vaporisation de mercure Les OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) sont des puces lumineuses constituées de l empilement de plusieurs couches (de quelques dizaines de nanomètres d épaisseur) de matériaux organiques. A la fois économiques, simples à fabriquer et potentiellement réalisables sur substrats souples, ces nouvelles diodes ont de nombreuses applications potentielles, principalement les écrans ultra-plats et l éclairage économique. En 2004, ils ont réalisé une OLED bleue à hétérostructures, à base de composés carbazoliques dopés. Plus récemment, ils ont mis au point une méthode permettant de contrôler avec une excellente précision la couleur des OLEDs, et notamment de réaliser des OLEDs blanches. Cette recherche est développée dans le cadre d une collaboration avec le groupe CANDELA d Alain Siove (CNRS Lariboisière-Paris 7) pour la synthèse des matériaux organiques, et avec le CEA (Bernard Geffroy) pour la fabrication d OLEDs. Dans la continuité de ces études sur les OLEDs, l équipe s intéresse maintenant à la réalisation de lasers organiques. 12

14 Les OLEDs de différentes couleurs : 13

15 2.5. Organigramme : Equipe de direction : Conseil du Laboratoire Directeur Desfrançois Charles Administratrice Barbut Sabine Secrétariat Alsters Martine Froger Nathalie Electronique De Lapetre De Bellair Julien Simon Germaine Wiotte Fabrice Informatique Barbier Marc Kocic Dejan Mécanique Fosse Michel Kaladjian Albert Optique Billeton Thierry Doctorants Post-doctorants Beaufils Quentin AF Chaves de Souza Segundo Pedro OCR Chicireanu Radu-Stelian AF Choukri Hakim LUMEN Djerroud Khelifa HOTES Gillet Jean-Christophe AMIBES Grücker Jules IOA Ibrahim Nofal HOTES Mpamé Guilène HOTES Narbonneau François HOTES Passerat de Silans Thierry OCR Phillipet Laurent LUMEN Poudérous Arnaud AF Poully Jean-Christophe AMIBES Raghavan Kollengode-Easwaran COMETA Rogeau Leila OPTIMA Romanelli Marco OCR Seydou Mahmadou AMIBES Zarychta Katarzyna OPTIMA Chercheurs Enseignants-chercheurs Amy Anne HOTES Avrillier Sigrid OPTIMA Baudon Jacques IOA Bouteiller Yves AMIBES Chénais Sébastien LUMEN Daussy Christophe HOTES Du Burck Frédéric HOTES Dutier Gabriel IOA Ettori Dominique OPTIMA Fischer Alexis LUMEN Forget Sébastien LUMEN Gorceix Olivier AF Gorza Marie-Pascale OCR Keller Jean-Claude AF Lecompte Frédéric AMIBES Longchambon Laurent COMETA Lorent Vincent COMETA Mainos Costantin IOA Martinez-Gil Amanda LUMEN Maurin Isabelle OCR Museur Luc LUMEN Perales Francisco IOA Schermann Jean-Pierre AMIBES Tinet Eric OPTIMA Vassilev Georges IOA Vernac Laurent AF Chercheurs CNRS Bloch Daniel OCR Bordé Christian HOTES Castex Marie-Claude LUMEN Chardonnet Christian HOTES Desfrançois Charles AMIBES Ducloy Martial OCR Grégoire Gilles AMIBES Laburthe-Tolra Bruno AF Perrin Hélène COMETA Tualle Jean-Michel OPTIMA Ingénieurs Lopez Olivier HOTES Maréchal Etienne AF Pottie Paul-Eric COMETA 14

16 2.7 Localisation : LPL 14. Lettre/Handinord 1. CNRS (LIMPH) 2. Institiut Galilée/ Sale de Visioconférences. 3. (Bâtiment A) DAPS (service des sports) 3 bis. Gymnase. 4. Restaurent administratif. 5. Bibliothèques sciences. 6. Présidence/ Administration 7. Amphis Galilée 8. Droit/ Sciences économiques/ Centre de formation continue. 9. Bibliothèque droitlettres/médiathèque. 10. Entrée Principale Grand hall/cido/svp/assistants sociaux/amphis 5, 6, Amphis 1, 2, 3, 4/Associations 12. Forum/Café Expo 13. Amphis IUT 15. IUT/Bibliothèque IUT/Bureau des relations internationales/service de l action culturelle et artistique/sécurité. 16. Communication/Espace langues/salles informatiques 17. Scolarité centrale 18. Restaurant universitaire 19. Médecine préventive 20. Club «La Chaufferie» P : Parking L : Accès livraison 15

17 3. Création d une fontaine laser 3.1. But du projet : Le but de ce projet est de réaliser une fontaine lumineuse, qui sera présentée à la «fête de la science» (comme «Savante banlieue» à l université Paris XIII) mais aussi au public et à des étudiants lors de la journée «portes ouvertes». Cette expérience a aussi été présentée lors du congrès «Optique 2007» à Grenoble le 3-5 juillet par Mr. Sébastien Forget. Le but de l expérience est très simple : créer quelque chose de très facile à l aide des notions d optique Les Matériels nécessaires : Les matériels qui seront utiles pour l expérience sont : - Trois lasers : Laser à solide pompé par diode bleu qui à pour longueur d onde λ=473 nm, Laser à solide pompé par diode vert. λ=532 nm, Laser à solide rouge, assez puissant de λ=650 nm ou un laser à Helium- Néon de classe 3b et de λ=633 nm, - Une cuve étanche percée de quelques trous, à plusieurs dimensions, - Une grande bassine, - Plusieurs pompes à eau de très bonne qualité, - Autres matériels : des filtres différents pour modifier les puissances, des diaphragmes à iris, des pieds pour les fixations des lasers... Pour avoir plus d informations sur ces matériels voir les fiches Technique dans les d Annexes Principe : Le principe de la fontaine lumineuse est le même que dans une fibre optique. La fibre optique utilise ce principe. L indice du milieu extérieur (appelé la gaine) est plus grand que celui du milieu intérieur (appelé le cœur). Le faisceau lumineux, arrivant avec un grand angle d incidence dans le milieu de la fibre, est totalement réfléchi sur la surface de séparation des deux milieux. De réflexion en réflexion, la lumière se propage alors sans perte jusqu à l autre extrémité de la fibre en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre optique peut se faire avec très peu de pertes même lorsqu elle est courbée. 16

18 Une fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres : Démonstration de la formule : o Le premier est la différence d indice normalisé, qui donne une mesure du saut d indice entre le cœur et la gaine : nc ng = nc o Le second est l Ouverture Numérique de la fibre optique (N.A. pour Numerical Aperture en Anglais). Concrètement, ce paramètre est le sinus de l angle d entrée maximal de la lumière dans la fibre optique pour que la lumière puisse être guidée sans perte. Cet angle est mesuré par rapport à l axe de la fibre. O.N.=Sin θ max = nc² ng² = n ² Commençons par rappeler les lois de Snell-Descartes : 1² n2 Première loi de Snell-Descartes : Le rayon incident, le rayon transmis, et la normale au dioptre appartiennent au même plan. On en déduit que le plan de réfraction et le plan de réflexion sont dans le plan d incidence. Deuxième loi de Snell-Descartes : La deuxième loi de Snell-Descartes donne les relations entre les différents angles : - pour la réflexion, l angle d incidence i et égal à l angle de réflexion r : i = r. Avec i : angle d incidence (entre le rayon incident et la normale au dioptre) et r : angle de réflexion (entre le rayon réfléchi et la normale au dioptre). - pour la réfraction (ou encore transmission), la relation entre les angles est la suivante : n 1 sin i1 = n2 sin i2 avec i 1 : angle d incidence du milieu d indice n 1 et i 2 : angle de réfraction dans le milieu d indice n 2. Normale au dioptre Rayon incident Angle Angle de d incidence réflexion Rayon réfléchi Indice n1 dioptre Indice n2 Angle de réfraction Rayon réfracté Remarque : n 1 < n 2 : pour un milieu incident moins réfringent que le milieu sortant, la relation précédente entraîne sin i 1 > sin i 2. Comme la fonction sinus est croissante, alors i 1 > i 2. Le rayon réfracté se rapproche de la normal en traversant le dioptre. n 2 < n 1 : dans ce cas, l angle de réfraction i 2 est plus grand que l angle d incidence i1. 17

19 On remarque que pour n 1 > n 2, le rayon réfracté s écarte de la normale. Quand l angle de réfraction arrive à 90, l angle d incidence atteint une limite. Au-delà de cet angle limite, noté l le faisceau réfracté disparaît car le faisceau incident est alors entièrement réfléchi. On parle de réflexion totale. Pour i= l, la relation de Snell-Descartes s écrit : n1 sinl = n2 sin 90 ce qui entraîne sin l = n n 2 1 Normale i > l Rayon incident Normale Rayon incident n 1 l n 1 Rayon rasant I n 2 I n 2 90 n 1 > n 2 n 1 > n 2 Rayon réfléchi i = l Le faisceau réfracté n existe plus i > l Le faisceau incident est entièrement réfléchi n 2 n 1 gaine Air l θ Coupe longitudinal θ max coeur d une fibre optique gaine Pour un angle d incidence supérieur à l angle d acceptance, la lumière est transmise du cœur dans la gaine. L information est alors transportée par la lumière est perdue car non propagation jusqu à la sortie de la fibre. L angle d acceptance de la fibre est l angle d incidence maximum θ max qui permet à la lumière une propagation par réflexions successives dans la fibre. L angle de réfraction θc, ou angle critique se situe de l autre côté du dioptre. Il est relié à l angle limite l par la relation : θc + l = 90. La deuxième loi de Snell-Descartes sur le dioptre d entrée de la fibre s écrit : sinθ max = n1 sinθc = n1 sin(90 l ) = n1 cosl. Sachant que sin² l + cos² l = 1, l expression devient n2 Comme l est l angle limite, on a : sin l = n 1 sinθ max = n1 1 sin ² l 18

20 n2 Ainsisin max 1 1 θ = n, ce qui revient à : n1 2 sinθ max = n1 ² n2 ² Pour se propager le long de la fibre, le faisceau incident doit appartenir au cône d acceptance d angle θ max. L ouverture numérique O.N. de la fibre est définie par : O.N. = sinθ max = n1 ² n2 ² En fin de compte la fontaine lumineuse utilise le même principe que la fibre optique, car pour que la lumière puisse être guidée dans le milieu 1, il faut que le milieu 2 entourant le milieu 1 présente un indice de réfraction plus faible. Ce qui est le cas car l indice de l eau (milieu 1) est de 1,33 et l indice de l air (milieu 2) est de 1. En réalisant un jet d eau et en dirigeant un faisceau de lumière à l intérieur, la lumière suit par réflexions multiples la direction du filet d eau Réalisation de la fontaine : Avant de commencer mon travail, mon tuteur m a présenté le personnel de l équipe, leurs noms, leurs postes et enfin leurs rôles. Après les présentations, il m a montré les matériels et la salle où je devais travailler pendant toute la durée du stage. Après avoir reçu des explications sur les travaux que je devais effectuer, j ai commencé à installer tous les matériels nécessaires sur une table à part : les lasers, les pompes, bassine remplie d eau distillée ainsi qu une ancienne cuve. Sur cette cuve se trouvent trois trous de différents diamètres à différentes positions. Schéma de principe : Trou Ø 5,50mm Laser s Pompe Cuve 1 Cuve 1 Eau distillée 19

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