Dioptre convergent (foyers réels)

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1 SF > 0 et SF < 0 le dioptre est convergent. foyers réels SF < 0 et SF > 0 le dioptre est divergent. foyers virtuels Dioptre convergent (foyers réels) n 1 < n 2 B n 2 Image réelle A F F S C A B

2 n1 n 2 n1 n 2 SA SA' SC Lumière SF SF ' SC Vergence: 1 dioptrie (d) = 1m - 1 n1 n 2 n 2 n SF SF' SC 1 V Vergence = puissance du dioptre, V positif = convergent V négatif = divergent

3 4- Introduction à la vision l œil 4-1 Description L œil est l organe de la vision. Il fonctionne comme une lentille convergente et donne une image réelle et renversée

4 4.2 Schématisation - La cornée : la partie antérieure transparente du globe oculaire, de forme asphérique et légèrement saillante. Elle transmet la lumière au cristallin et à la rétine. Il s agit du premier élément réfractif de l œil, comptant pour plus de 2/3 de la réfraction du dioptre oculaire - L'iris : diaphragme de l'oeil percé d une ouverture : la pupille. Ce muscle fait varier l'ouverture et permet de contrôler la quantité de lumière pénétrant dans l œil - Le cristallin : lentille naturelle organique convergente de l œil. Il se comporte comme une lentille bi-convexe de vergence variable grâce à l'action des muscles ciliaires - La rétine : écran constitué de cellules sensibles à la lumière sur laquelle se forme les images.

5 L œil peut être réduit à un système centré équivalent à un dioptre unique de vergence V 60 dioptries Ce dioptre sépare 2 milieux d indice de réfraction n = 1 (air) et n = 1,336 axe géométrique comme axe optique n = 1 lumière n = 1,336 x F x C Centre optique x F Axe optique 17mm 6 mm 17 mm rayon de courbure 6mm SF 17mm SF 23mm

6 4.2 Fonctionnement de l œil normal ou œil emmétrope Deux conditions simultanées - L image d un point est un point œil stigmatique (approximation de Gauss) - L œil ne voit une image nette que si celle-ci se forme sur la rétine Vision d un objet éloigné Pour un œil normal, lorsque le cristallin est au repos, les images des objets situés à l infini (pratiquement plus de (50m) se forment sur la rétine : on dit alors que l œil n accommode pas. Vision d un objet proche Lorsque l œil regarde un objet proche, les muscles ciliaires modifient la courbure du cristallin (et donc la distance focale) ce qui permet aux images de se former sur la rétine : on dit alors que l œil accommode. image sur la rétine (image nette) quelque soit la distance de l objet

7 a. Vision nette de loin Hypothèse : l observateur voit nettement des objets éloignés sans accommoder image se forme au foyer image F donc sur la rétine image nette Point objet à x F Œil emmétrope au repos x C F Point image sur la rétine Point net

8 b. Vision nette de près SI l œil emmétrope était un système optique figé : Point objet à une distance finie x F x C F Point image théorique image sur la rétine Tache lumineuse Point flou Mais l image reste nette grâce à l augmentation de la convergence du cristallin. Le mécanisme d accommodation maintient l image sur la rétine Le champ de vision d un œil normal s étend normalement d environ 25 cm à l infini

9 4.3 Défauts de la vision : amétropies sphériques 2 types d amétropie sphérique : - myopie - hypermétropie a. Myopie L image d un objet à l infini se forme en avant de la rétine (œil au repos) L œil trop convergent pour sa longueur et/ou trop long (foyer image F en avant de la rétine) Point image théorique Point objet à x F x C x F image floue perçue par la rétine (tache lumineuse) Œil myope au repos

10 b. Hypermétropie L image d un objet à l infini se forme en arrière de la rétine (œil au repos) L œil n est pas assez convergent et/ou trop court (foyer image en arrière de la rétine) 4.4 Corrections L œil myope étant trop convergent, il faut une lentille divergente pour le corriger L œil hypermétrope n étant pas assez convergent, il faut une lentille convergente pour le corriger

11 5- Notion de couleur Le point A est vu rouge par l œil parce que recevant de la lumière blanche, composée par toutes les couleurs, il ne diffuse que les longueurs d onde du rouge A La couleur d'un objet dépend donc de: la manière avec laquelle les pigments constituant ce point diffusent et absorbent les différentes longueurs d'onde la composition de la lumière qui l'éclaire (si on éclaire un objet rouge pur avec de la lumière bleue, il apparaît noir puisque le rouge pur absorbe toutes les couleurs, dont le bleu, et ne diffuse que du rouge qu'il ne reçoit pas) et de l'oeil et du cerveau de l observateur

12 3ème partie : LASER

13 LASER Acronyme de «light amplification by stimulated emission of radiation» «amplification de la lumière par émission stimulée de radiation» Un laser est fondamentalement un amplificateur de lumière. Le terme laser est ambivalent puisqu'on l'emploie à la fois pour décrire le dispositif, la source qui permet de créer et d'émettre cette lumière particulière et pour nommer le rayon lumineux lui-même. EINSTEIN 1917 (principe)

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15 1- Principe - Interaction matière rayonnement Les photons peuvent réagir avec la matière de trois manières : - l'absorption - l'émission spontanée - l'émission stimulée

16 1.1 Absorption Emission spontanée atome hu e - Etat stable E 0 Energie extérieure Etat excité Absorption d Energie e - niveau E 1 Atome excité repasse spontanément à son état fondamental: Emission spontanée photon (même u situation de résonance) Photon émis dans une direction quelconque DE = E 1 - E 0 = hu Fluorescence (l) (nanoseconde)

17 1.2 Emission stimulée État excité Photons incident hu Photons hu État fondamental Photons hu Avant Pendant Après Nouveau photon est en tout point similaire à celui qui a permis à la particule de se désexciter : il transporte la même quantité d'énergie, à la même fréquence et possède la même direction de propagation. Conséquence: Le nombre de photons croît intensité du faisceau lumineux AMPLIFICATION

18 a. Principe Conditions Energie du photon incident = Energie du niveau haut Energie du niveau bas N atomes excités > N atomes niveau fondamental Inversion de population indispensable Il faut forcer l inversion de population en pompant le milieu

19 b. Inversion de population But : E 2 hu (n 2 ) Loi de Boltzmann: n 2 = n 1 exp [- (E 2 E 1 ) / kt] système en équilibre n 1 > n 2 niveaux plus bas toujours plus peuplés E 1 (n 1 ) Photons probablement absorbés Pour que le faisceau s enrichisse en photons n 2 > n 1 E 2 hu E 1 (n 2 ) hu hu (n 1 ) Inversion de population ( hors équilibre thermique avec apport d énergie) Emission stimulée (émission induite)

20 c. Pompage optique (KASTLER 1950) Pompage atomes molécules ions cavité E 2 hu E 1 (n 2 ) hu n 2 > n 1 hu (n 1 ) Source excitatrice Source va donner l énergie nécessaire pour l inversion de population (excitation extérieure Emission Stimulée possible Le milieu est alors amplificateur

21 d. Amplification Milieu actif Apport d énergie par pompage Photon incident sur atome excité Émission stimulée Emission grand nombre de photons (Réactions en chaîne) Photons émis ont des propriétés identiques à ceux de l onde de départ Amplification en cascade du nombre de photons Effet laser L'inversion de population contribue ainsi à l'amplification de la lumière dans le laser. Source lumineuse

22 e. Cavité et dispositif Le milieu laser est constitué par des atomes capables d émettre des photons par émission stimulée milieu actif placé entre deux miroirs. Miroir réfléchissant à 100% Cavité résonante Résonateur optique Miroir semi-réfléchissant à 99% Sortie de la lumière Les photons peuvent traverser plusieurs fois le milieu actif(allers-retours) Emission stimulée d un plus grand nombre de photons processus d'amplification laser oscille

23 e. Cavité et dispositif Le milieu laser est constitué par des atomes capables d émettre des photons par émission stimulée Les photons peuvent traverser plusieurs fois le milieu actif(allers-retours) Emission stimulée d un plus grand nombre de photons processus d'amplification laser oscille

24 Dans la cavité optique, un très grand nombre d ondes réfléchies se superposent Additions de signaux si ondes ne sont pas en phase Interférences destructives Interférences constructives

25 Il faut que les ondes réfléchies soient en phase Interférences constructives Intensité maximale Condition remplie pour c 2L = k l u= k 2L k entier positif L distance entre les 2 miroirs le résonateur est généralement construit de manière à favoriser l'une des longueurs d'onde produites dans le milieu actif au détriment des autres. Construction optimale de la cavité de résonance

26 Forme des miroirs But des miroirs faisceau optique traverse le milieu actif un grand nombre de fois. Miroirs plans Pertes latérales de la lumière Miroirs sphériques Pertes latérales minimisées

27 2- Caractéristiques - Emission directionnelle Concentré spatial de lumière avec une divergence faible - Emission cohérente (relation de phase) - Emission monochromatique Concentré spectral de lumière - Densité de Puissance élevée Concentré spatialement et spectralement focalisation sur des très petite surfaces (lambda²) concentré temporellement (impulsions de courtes durées ns à fs) P Densité de puissance surfacique en W.m -2, P en W et S en m 2 S Densités de Puissance très importantes Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) : densité de puissance max = 4 GW/cm 2

28 3- Fonctionnement du laser mode continu (leur puissance est constante) source d'énergie excite en continu mode impulsionnel (émission pendant une durée brève, puis arrêt et à nouveau émission). (source d'énergie envoie par intermittence une décharge d'énergie) Emission ns aux femtosecondes

29 4- Types de LASER - LASER à milieu actif solide (solide et semi-conducteurs) - Laser à Gaz - Laser à colorants Exemples : Type de laser Milieu laser Couleur du faisceau Longueur d onde λ Hélium-néon Gaz hélium-néon Rouge 632,8 nm Diode Laser Solide semiconducteur : Arséniure de gallium Rouge, infrarouge Laser à colorant Colorant dans un solvant Différentes couleurs Laser Nd-YAG Solide grenat d aluminium et d yttrium Dopé au néodyme infrarouge 1,06 μm

30 Laser à milieu solide (Nd:YAG) λ émission dépend de l ion dopant et de la matrice Milieu amplificateur: cristal ou verre dopé aux terres rares: Nd (Néodyme), Yb(Ytterbium), Nd:YAG λ =1,06μm Source d excitation : lampe flash ou diode laser Fonctionnement: continu ou de manière impulsionnelle (impulsions 10-6 s à s) Densités de puissance de l'ordre du kw en continu et du GW en pulsé. Dermatologie Détatouage (Laser Nd-YAG). Odontologie (Laser Nd-YAP )

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32 5- Mécanismes d actions en santé - Effet électromécanique Action disruptive (ex Nd:YAG, ophtalmologique, dermatologique ) - Effet photoablatif Photoablation (ex Excimères (UV), Nd:YAG ophtalmologique: myopie, hypermétropie..) - Effet thermique Mécanisme prédominant ophtalmologie (décollement de la rétine), dermatologie (destruction de lésions cutanées), chirurgie - Effet photochimique Combinaison avec un photosensibilisant, utilisé en PDT