Organisation des appareils et des systèmes: Le domaine de l optique

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1 Université Bordeaux Segalen Organisation des appareils et des systèmes: Bases physiques des méthodes d exploration UE 3A Le domaine de l optique Dr JC DELAUNAY PACES- année 2014/2015

2 OPTIQUE GEOMETRIQUE Stigmatisme Miroirs Dioptres Lentilles

3 LENTILLES Lentille est un dioptre sphérique. association de 2 dioptres dont au moins un des deux Lentille biconvexe Lentille plan-convexe Lentille biconcave Lentilles convergentes Lentille divergente

4 Lumière F O F F O F Lentille convergente Lentille divergente 1 OA 1 - = OA 1 OF OA OA OF image objet foyer image Grandissement: g = OA OA Vergence: V = 1 OF ( ) d

5 Un ensemble de lentilles minces accolées est équivalent à une lentille mince unique dont la convergence est la somme des convergences des lentilles: C = C 1 + C 2 + C Système dioptrique association de dioptres (lentilles.) Système catadioptrique association de dioptres (lentilles.) avec un miroir Système centré association de dioptres centrés sur l axe optique

6 Lentille convergente Lumière B A A F O F B

7 On considère une lentille mince divergente de centre optique O ayant une distance focale de 4 cm. On place un objet réel à 12 cm du centre optique O. 1 ) Position de l image par rapport au centre optique O : A - 6 cm B + 6 cm C + 3 cm D - 3 cm E Aucune des propositions ci-dessus 1 OA A 1 - = OA OA = - 12 cm OF = - 4 cm 1 OA Lumière = F O 1 + OF OA = - 3 cm 1 OF F 1 OA

8 On considère une lentille mince divergente de centre optique O ayant Lumière une distance focale de 4 cm. On place un objet réel à 12 cm du centre optique O. 2 ) Nature de l image : A F A O F Cocher la (ou les) proposition (s) vraie (s) OA = - 3 cm A - Réelle - même sens que l objet nature virtuelle B - Réelle - sens inverse de l objet C - Virtuelle - même sens que l objet D - Virtuelle - sens inverse de l objet E - Aucune des propositions ci-dessus OA g = OA g > 0 = - 3 = - 12 image droite 1 4

9 Soit un dioptre sphérique de sommet S, de centre C, de foyer objet F et de foyer image F. Ce dioptre sépare un milieu d indice n 1 = 3/2 d un milieu d indice n 2 = 1. On place un objet réel dans le milieu d indice n 1. Cet objet se trouve à 10 cm du sommet S de ce dioptre. Le rayon de courbure de ce dioptre R = 2 cm. Les distances focales objet et image sont respectivement f = - 6 cm et f = + 4 cm. Nature du dioptre Cocher la (ou les) proposition (s) vraie (s) A - Concave convergent B - Convexe convergent C - Concave divergent D - Convexe divergent E - Aucune des propositions ci-dessus A Objet réel Lumière F C F S n 1 = 3/2 n 2 = 1 n 2 = 1 SF > 0 et SF < 0 convergent C au milieu le + réfringent SC = - 2 cm

10 Lumière A SF > 0 et SF < 0 SC = - 2 cm Trouver la position de l image par rapport au sommet S : A cm B cm C- - 2,5 cm D- + 2,5 cm F C F S n 1 = 3/2 n 2 = 1 convergent SA = - 10 cm E- Aucune des propositions ci-dessus n 1 n 2 SA n 1 SA 1, SA n 2 = 1 - = (n 1 - n 2 ) SC (1,5-1) - 2 SA = + 10 cm n 1 - n 2 SC = = n 2 SA 1 SA

11 Lumière SA = + 10 cm A n 1 = 3/2 F C F S n 2 = 1 A SA > 0 image réelle SF > 0 et SF < 0 convergent SC = - 2 cm SA = - 10 cm nature de l image obtenue : A- virtuelle même sens que l objet B- virtuelle sens inverse de l objet C- réelle même sens que l objet D- réelle sens inverse de l objet E- Aucune des propositions ci-dessus g = n 2 = 1 n 1 n 2 g = 1, g < 0 SA SA = - 1,5 image renversée

12 Université Bordeaux Segalen Organisation des appareils et des systèmes: Bases physiques des méthodes d exploration UE 3A Le domaine de l optique : LASER Dr JC DELAUNAY PACES- année 2014/2015

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)

14 cavité Colloque bordeaux-jullien Miroir semi-réfléchissant miroir v atomes molécules ions photons Source excitatrice

15 Interaction matière rayonnement 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 (nanoseconde) DE = E 1 - E 0 = hu Fluorescence (l)

16 hu Photon émis Rencontre une particule excitée Désexcitation et formation 2 ième photon 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

17 Loi de Boltzmann: n 2 = n 1 exp [- (E 2 E 1 ) / kt E 2 hu (n 2 ) Atomes excités 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 hu hu (n 1 ) (n 2 ) Inversion de population ( hors équilibre thermique) Emission stimulée (émission induite)

18 Amplification Milieu actif Apport d énergie 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

19 processus insuffisant pour produire à lui seul un faisceau laser. 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.

20 Dans la cavité optique, un très grand nombre d ondes réfléchies se superposent (ne pas oublier ondes lumineuses sinusoïdales). Additions de signaux si ondes ne sont pas en phase Interférences destructives Df

21 Il faut que les ondes réfléchies soient en phase Interférences constructives Intensité maximale Condition remplie pour 2L = n l n 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.

22 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

23 Construction optimale de la cavité de résonance Grand nombre de photons ou ondes se propageant en phase, à la même longueur d'onde (monochromatique) et dans la même direction. La somme de ces émissions stimulées produit une lumière dite cohérente, de très forte énergie (puissance) et de faible divergence (faisceau parallèle). L Energie rayonnée par un faisceau laser est concentrée dans un rayon cylindrique de faible diamètre. P On définit l intensité rayonnée I par: I = S (Puissance surfacique) avec I en W.m -2, P en W et S en m 2

24 Pompage optique (KASTLER 1950) Inversion de population Passage état excité plus rapide que la désexcitation. stockage des atomes dans un état excité pompage E 2 hu E 1 (n 2 ) hu n 2 > n 1 hu (n 1 ) atomes molécules ions cavité Source excitatrice Source va donner l énergie nécessaire pour l inversion de population

25 Pompage optique : Apport d énergie lumineuse au milieu : les photons émis par la source lumineuse sont absorbés par le milieu. Lampe à décharge remplie de gaz ou de vapeur métallique. Lampe flash ( lumière intense pulsée) possède un large spectre de 400 à nm. Diode laser (sélective en l). Pompage électrique décharge électrique

26 Energie LASER à 4 niveaux E 3 E 2 Transition non radiative (très rapide) stockage absorption E 1 E 0 Émission stimulée Transition très rapide Émission spontanée (peu probable)

27 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 de quelques ms au femtosecondes)

28 TYPES DE LASER Laser à milieu solide ( cristaux ou des verres) Matrice (cristal ou verre) dopée par un ion qui est le milieu actif. λ émission dépend de l ion dopant et de la matrice Milieu amplificateur: laser à rubis (Al 2 O 3 ) Cr 3+ λ= 694nm, rouge Dopé au terres rares: Nd (Néodyme), Er(Erbium) barreau Yb(Ytterbium), matrice YAG : λ= 1064nm grenat d'aluminium et d'yttrium verre dopage Nd l = 1053nm

29 Fibre matrice silice dopage Yb Source d excitation pour ce type de LASERS à milieux solides : Lampe flash ou diode laser Fonctionnement: continu ou de manière impulsionnelle (impulsions 10-6 s à s) visible, proche IR, UV. Puissances de l'ordre du kw en continu et du GW en pulsé. Pour un diamètre de 1 mm et P = 1kW I = 1, W.m -2

30 Applications tant scientifiques qu'industrielles: soudage, le marquage et la découpe de matériaux (Laser Nd-YAG). Très hautes énergies de l'ordre du mégajoule: systèmes destinés à la fusion nucléaire (Laser Nd-Verre) Dermatologie Odontologie (Laser Nd-YAP ) Détatouage (Laser Nd-YAG).

31 Lasers à milieu gazeux Gaz pur ou en mélange Excitation: décharge électrique voire optique Cathode He-Ne Anode Milieu actif: Miroir à 99% Miroir à 100% Atomes: laser hélium-néon (He-Ne) petite puissance (de 1 à 100mW) rouge à 632,8 nm Holographie et anciennement lecture des codes-barres Ions: Ar puissance de l ordre de 10 W Bleu-vert à 488 et 514 nm

32 Milieu actif: Moléculaire CO 2 CO 2 IR entre 9,4 et 10,6 µm Milieu actif: CO 2 environ 10 à 20%; puissance (mw à centaines de kw) section de tissus organiques Pour un diamètre de 1 mm et P = 1kW I = 1, W.m -2 très fortes puissances (fonctionnement en impulsion) 10 6 W. gravure ou découpe de matériaux. Refroidissement nécessaire

33 Lasers à milieu gazeux Excimère milieu actif halogène + gaz rare: XeCl, ArF. émission dans l UV (190 à 350 nm) petites impulsions qui permettent de faire l'ablation des surfaces de tissus ou des incisions. Applications: chirurgie ophtalmologique (myopie) et dans la fabrication des semi conducteurs. Lasers à colorants: molécules organiques émettant en général dans le visible. Pompage optique

34 Lasers à semi-conducteurs Pompage: courant électrique Semi-conducteurs sont dopés Ex:Arséniure de gallium dopé avec l aluminium (GaAsAl) Diode Laser Domaine émission: IR et Rouge Peu puissants : entre 1 et 100 mw. Pour un diamètre de 1 mm et P = 1mW I = 1, W.m -2 Utilisation: Dispositifs de «pompage» pour de plus gros lasers Les lecteurs de disques compacts En télécommunications (fibres optiques)

35 Cocher la (ou les) propositions vraie(s) Concours janvier 2014 A - Lors de l émission spontanée, les photons sont émis dans des directions aléatoires. B - Un rayonnement laser est obtenu par émission stimulée d électrons. C - La longueur d onde d émission d un laser dépend des propriétés de la cavité résonante et du milieu amplificateur. D - Dans les lasers à 4 niveaux, lors de la transition non radiative, le photon émis possède une énergie E= hu. E- Aucune des propositions ci-dessus.

36 Références de quelques Livres se trouvant à la bibliothèque de Bordeaux2 (cours-propriétés colligatives; cours-électrophysiologie; cours-optique) ATKINS P.; PAULA J. Chimie_Physique Ed. De Boeck et Dunod AURENGO A., PETITCLERC T., GREMY F. Biophysique Ed. Flammarion BORDENAVE L. et al Biophysique Ed. Omniscience

37 FIN