Principes de base de l optique. Nicolas Sandeau Maître de Conférences

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1 Principes de base de l optique Nicolas Sandeau Maître de Conférences

2 Une onde électromagnétique ~B~B ~E~E ~ k ~ k Amplitude Phase ³ ~E = E 0 cos!t ~ k ~r ~e ³ ~B = B 0 cos!t ~ k ~r ~b Polarisation k = n 2¼ = n! c

3 Les gammes spectrales º ¼ 5:10 14 Hz

4 Interaction lumière-matière réflexion réfraction transmission absorption diffusion

5 Les sources

6 Les sources Deux types : Les sources spatialement cohérentes Lasers, émetteurs ponctuels, émetteurs cohérents Les sources spatialement incohérentes Lampes blanches (thermiques), «spectrales», objets luminescents S 1 S 2 I 1 I 2 I = I 1 + I 2 ) Source spatialement incohérente Source spatialement I 6= I 1 + I 2 ) cohérente Interférences

7 Les sources élémentaires D. Patra, I. Gregor, J. Enderlein, J. Phys. Chem. A 108 (33) p (2004)

8 Les sources Lampe blanche Lampe spectrale (Hg) Tube néon

9 Les LASERs Les Lasers continus caractérisés par: la puissance moyenne en W la (les) longueur d onde (nm) Il existe des lasers solides (+petits), à gaz Les Lasers impulsionnels caractérisés par: durée d impulsion (s) l énergie (J) ou (la puissance moyenne) fréquence de répétition (Hz) Ils sont généralement accordables en λ. Une durée d impulsion courte un spectre large t / 0 2 Ex: 0 = 900 nm t = 100 fs f = 100 MHz P m = 1 W ) = (9:10 7 ) 2 = 27 3:10 nm ) P i = P m f t = 100 kw c

10 La détection

11 Les gammes spectrales º ¼ 5:10 14 Hz

12 La détection º ¼ 5:10 14 Hz Les détecteurs dans le visible (IR& UV proches) sont sensibles à l intensité. I / 1 Z E T ~ 2 dt T L œil T=20 à 100 ms moyenne sur ~10 13 périodes Capteurs classiques T 1 µs moyenne sur ~10 8 périodes APD& PM de qualité T 1 ns moyenne sur ~10 5 périodes StreakCamera T 1 ps moyenne sur ~10 2 périodes Les détecteurs ne sont donc pas sensibles aux oscillations des champs mais à. perte de la phase Comment mesurer le spectre? la polarisation? 2 E 0

13 Les détecteurs Deux catégories: Les détecteurs ponctuels : Photodiode, APD, PM Les imageurs (multi-pixels): CCD, CMOS

14 Les détecteurs-apd / PM Caractéristiques: Rendement quantique Bruit quantique /électronique Gamme de sensibilité spectrale Rapidité Dynamique temps d obscurité (APD) transfert de l image (CCD) Mode de fonctionnement: Analogique comptage de photons

15 Les détecteurs-apd / PM APD PM 65% de rendement mais qqns d obscurité 20% de rendement mais pas de temps d obscurité

16 La perception des couleurs (l œil) Nos 3 cônes se comportent comme 3 détecteurs sensibles dans des gammes différentes. Le cerveau en déduit la couleur!

17 Analyses spectrales

18 Les filtres absorbants Filtre qui nous apparait de couleur Cyan

19 Les filtres diélectriques (couches minces) Réseau de Bragg R+T=1 Verre d indice n Matériau bas indice n b <n Matériau haut indice n h >n Intérêts: n absorbe pas donc ne chauffe pas! filtres complexes Filtre très efficaces

20 Les filtres diélectriques (couches minces) Trois types d utilisations: Miroirs très efficaces R=0,999 Antireflets R=0,01 Miroirs dichroïques à 45 Filtres passe-bandes T

21 Les prismes n 1 µ 1 Loi de Descartes: n 2 n 1 sin µ 1 = n 2 sin µ 2 µ 2 n 1 µ 1 Le prisme: D = i + arcsin µ n sin A arcsin sin i n A

22 Les prismes n 1 µ 1 Loi de Descartes: n 2 n 1 sin µ 1 = n 2 sin µ 2 µ 2 n 1 µ 1 Dispersion chromatique: n( ) µ D = i + arcsin n( ) sin A arcsin sini A n( )

23 Dispersion et impulsions courtes v = c n Ex: 0 = 900 nm t = 100 fs ) = (9:10 7 ) 2 = 27 3:10 nm

24 Diffraction par N fentes 0.01 λfixée N= N= N=

25 Les réseaux (diffraction) Formule du réseau en réflexion n 1 sinr = n 1 sini + m a Formule du réseau en transmission n 2 sint = n 1 sini m a ordre distance entre les traits

26 La diffusion de Rayleigh I / 1 4 rouge bleu

27 Polariseurs et polarisations

28 Une onde électromagnétique ~B~B ~E~E ~ k ~ k Amplitude Phase ³ ~E = E 0 cos!t ~ k ~r ~e ³ ~B = B 0 cos!t ~ k ~r ~b Polarisation k = n 2¼ = n! c

29 Les polarisations Polarisation rectiligne Polarisation circulaire Polarisation elliptique

30 Les polariseurs Polariseurs par absorption ex: polaroïd (les moins chers) Lumière incidente naturelle Composante verticale absorbée partiellement composante horizontale totalement absorbée Lumière transmise polarisée rectilignement

31 Les polariseurs Polariseurs par réflexion vitreuse angle de Brewster 1,0 R Facteurs de réflexion air/verre 0,5 i1=0 R=0,04 R R // 0,0 i i B

32 Les polariseurs Polariseurs par des prismes biréfringents Prisme de Rochon Prisme de Glan-Thompson Prisme de Wollaston Cube polarisant

33 Les lames de phase Lame demi onde pour faire tourner une polarisation rectiligne µ µ Lame quart d onde pour transformer une pola rectiligne en pola circulaire et vice versa 45 o

34 Mesurer la phase?

35 Une onde électromagnétique ~B~B ~E~E ~ k ~ k Amplitude Phase ³ ~E = E 0 cos!t ~ k ~r ~e ³ ~B = B 0 cos!t ~ k ~r ~b Polarisation k = n 2¼ = n! c

36 Les interférences I = I 1 + I p I 1 I 2 cos (Á 1 Á 2 ) cosµ S1 ~E 1 = E 1 cos (!t + Á 1 )~e 1 S2 ~E 2 = E 2 cos (!t + Á 2 )~e 2

37 Les lentilles et objectifs

38 Les lentilles p 1 p 1 0 p = 1 f 0 f f P' f

39 Grandissement et grossissement Grandissement = H h h f 1 f 2 H Grossissement G = µ 2 µ 1 µ 2 f 1 f 2 µ 1

40 Les lentilles et les aberrations Aberration géométrique de sphéricité Aberration chromatique

41 Les lentilles et la diffraction h f 0 µ J 1 k h 1 B f 0r r A 2 NA = n sinµ µ µ J1 (k NA r) k NA r 2 Tache d Airy

42 La tache d Airy µ J1 (k NA r) k NA r 2 Tache d Airy 1;22 2NA

43 Optique de Fourier Ex: faisceau de Bessel Am. J. Phys. 67 (10), 1999