TPE Alarme LASER. MICHEL Victorien NUMA Stève

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1 CONTON Steeven MICHEL Victorien NUMA Stève Classe de 1 ère S1 TPE Alarme LASER M. Audry, professeur de sciences de l'ingénieur M. Poussel, professeur de physique-chimie Année 2012/2013, Lycée Etienne Bézout 1

2 SOMMAIRE Introduction p.3 I/ Le LASER p.4 Définition...p.4 Historique du LASER...p.4 Quelques applications actuelles...p.4 Le LASER hélium-néon...p.6 II/ Notre production : l'alarme LASER p.7 Présentation...p.7 Modélisation sous SolidWorks...p.7 Assemblage des pièces des attaches...p.8 Fonctionnement...p.9 Contraintes...p.11 III/ Conclusion p.12 2

3 INTRODUCTION Depuis le premier prototype réalisé en 1960, le LASER a conquis le monde grâce aux nombreuses applications qu on n a cessé de lui découvrir au fil des années. Dans le thème des avancées scientifiques et des réalisations techniques, nous nous sommes intéressés, à travers la production accompagnant notre TPE, au LASER hélium-néon, dans le cadre de la fabrication d une alarme. Dans quelle mesure cette invention majeure du XX ème siècle est-elle utile dans de nombreux secteurs? Pour répondre à cette question, nous nous intéresserons d'abord à l'histoire du LASER et à quelques-unes de ses applications actuelles, avant d'étudier en détail la réalisation et le fonctionnement de notre production. 3

4 I/ Le LASER 1/ Définition Un LASER est un dispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau. Il fournit un rayonnement lumineux quasiment monochromatique grâce à une émission stimulée de radiations. Le nom de «LASER» est un acronyme de «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations» soit en français Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Radiations. Le LASER est capable d'émettre toutes sortes de rayonnements électromagnétiques : micro-ondes, ultraviolet, lumière visible, infrarouges, rayons X. 2/ Historique du LASER 1917 : Einstein démontre la notion d'émission stimulée, qui est à l'origine du fonctionnement du LASER : réalisation du premier MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) par C. Townes, qui est un appareil capable d'amplifier les micro-ondes à l'aide de l'émission stimulée : réalisation du premier LASER (Light Amplification Stimulated by Emission of Radiation) par T. Maiman avec un rubis : mise au point du LASER hélium-néon. 3/ Quelques applications actuelles Bien que notre objectif ne soit pas de faire une liste exhaustive des applications du LASER, nous en présentons quelques-unes parmi les plus représentatives. 4

5 Dans la télécommunication : Le LASER sert dans le domaine des télécommunications, avec la fibre optique. Celleci se sert de la réflexion de la lumière pour garder le LASER dans un fil de verre gainé. Le LASER offre assez de puissance pour transmettre un signal lumineux sur de longues distances, pouvant dépasser le millier de km, et à une vitesse de transmission très élevée. Un système de communication très haut débit, appelé FTTH (Fiber To The Home) devrait remplacer les connexions actuelles, grâce à la fibre optique. Le LASER Mégajoule : Le LASER Mégajoule, construit près de Bordeaux, devrait être le LASER le plus énergétique du monde. Il fournira une puissance de 1,8MJ concentré sur une surface d'un mm². En synchronisant 240 faisceaux LASER, son objectif est de reproduire les conditions de la fusion thermonucléaire. Grâce au LASER Mégajoule, les modèles de simulations par ordinateur seront plus affinés dans le cadre de la fusion au cœur des étoiles ou du fonctionnement des armes nucléaires, qui sont deux phénomènes utilisant la fusion thermonucléaire. 5

6 Lecture de DVD La lecture d un CD ou d un DVD passe par l emploi d un LASER. Les informations contenues dans le DVD sont transcrites en binaires, avec 2 valeurs, 0 ou 1, qui se symbolisent par une série de creux (lands) et de bosses (pits) le long de la piste de lecture. Ces lands et ces pits réfléchissent ou non la lumière du LASER. La lumière est donc captée ou non par une photodiode. Les informations reçues par cette photodiode sont ensuite traitées par le système électronique du lecteur. Depuis 2008, les lecteurs Blu-ray utilisent une LASER de couleur bleue. Grâce à sa plus courte longueur d onde, il permet de lire jusqu à 5 fois plus de données 4/ LASER Hélium-Néon Connu pour la pureté de sa longueur d'onde (633 nm) de couleur rouge, et la directivité du faisceau obtenu, il a été le premier LASER à gaz construit. Il possède une petite puissance de sortie et est peu coûteux à produire. Dans ce LASER, les atomes d'hélium sont excités par une décharge électrique. Ces atomes vont ensuite entrer en collision avec les atomes de néon et les exciter à leur tour. Le néon va alors émettre de la lumière. Ce LASER est utilisé en optique, ou pour faire des radiographies en médecine, ou encore pour la lecture de codes-barres. Dans notre production, nous avons utilisé ce type de LASER pour concevoir une alarme expérimentale. 6

7 II/ Notre production : l alarme LASER 1/ Présentation du système Une production accompagne notre TPE ; il s'agit d'une alarme expérimentale, fonctionnant à partir d'un LASER hélium-néon. Grâce à un système de miroir réfléchissant ce LASER, celui-ci permet de détecter l'ouverture des portes d'une salle, en faisant émettre un signal sonore caractéristique. 2/ Modélisation sous SolidWorks La création des pièces a nécessité l utilisation de SolidWorks ; ce logiciel permet de les modéliser en fonction des besoins attendus : un support fiable pour le miroir, de petite taille et avec un axe de rotation. Nous avons donc modélisé 4 pièces à assembler : La pièce pivot 1 : La pièce pivot 2 : La pièce support 1 : La pièce support 2 : 7

8 Des gabarits adaptés aux pièces sont également modélisés : Les pièces y sont insérées de manière à être maintenues en place pour un perçage plus précis. 3/ Assemblage des pièces des attaches Suite à la modélisation sous SolidWorks, la production en petite série des attaches pour les miroirs est lancée : 1. Fabrication de chaque pièce avec la fraiseuse en 7 exemplaires 2. Perçage des pièces à l aide des gabarits 3. Taraudage dans les étaux pour le vissage et le montage en force 4. Vissage des pièces pivot 1 et support 1, puis des pièces pivot 2 et support 2 5. Montage en force des deux parties à l aide d une tige métallique correspondant à l axe de rotation de l attache 6. Collage du miroir sur la pièce support 2 Voilà ci-dessous une attache réalisée : 8

9 4/ Fonctionnement Placement et orientation des miroirs Une fois les attaches et les pièces assemblées, nous passons à la partie la plus chronophage de notre projet : le placement et l orientation des miroirs. Dans un premier temps le laser est positionné le long d un mur et fixé de manière à rester stable. Puis les miroirs sont placés afin que le laser réfléchi continu de longer les murs ainsi que les fenêtres. Pour y parvenir nous utilisons leur axe de rotation : L objectif est ainsi de couvrir chaque accès à un espace défini, ici une salle de classe : 9

10 Partie électronique et capteur A la fin du circuit du Laser un capteur lumière est disposé. Celui-ci a pour but de détecter la présence ou non du laser et de déclencher un signal sonore via la partie électronique suivante. Programme sous Flowcode : Le signal sonore se fait grâce à un buzzer lorsque le capteur ne reçoit plus le laser. Cela signifie que le circuit du laser est coupé ; ainsi on en déduit qu une porte ou fenêtre est ouverte et qu il y a une intrusion. 10

11 Boitier de pile Carte du capteur Buzzer Carte d alimentation Carte mère Filtre rouge Capteur de lumière 5/ Contraintes Dispersion du laser La première contrainte rencontrée est inévitable lors de la réflexion du LASER hélium-néon : il s agit de la dispersion du faisceau, suite aux réflexions répétées sur les miroirs et à la distance les séparant, qui lui font atteindre un diamètre trop important pour les miroirs ; ceux-ci n en réfléchissent alors qu une partie, et le LASER perd en intensité. 11

12 L utilisation d un diaphragme est inutile, car on observerait alors une diffraction du LASER. Les phénomènes provoqués seraient les suivants : «Tache de Airy» Diffraction par un trou carré Optimisation des miroirs Un seul axe de rotation au niveau des attaches des miroirs s est révélé insuffisant pour un réglage optimal de la réflexion du LASER. Pour ajouter un second axe, une solution pourrait être de ne visser la pièce support 1 à la pièce pivot 1 qu avec une seule vis, de manière à pouvoir pivoter autour de l axe de cette vis. III/ Conclusion A travers nos recherches et la réalisation de notre production, nous avons pu constater que le LASER a déjà trouvé de nombreuses applications, aussi variées qu inattendues, de la lecture de code barre au LASER Mégajoule. La fabrication de notre alarme nous a ainsi permis d expérimenter les possibilités du LASER héliumnéon, au cours de ces 18 semaines de TPE. 12

13 Annexe : Graphe des liaisons d une attache Support 1 Pivot 1 Pivot 2 Support 2 13

14 Annexe : Bibliographie Dictionnaire Larousse 14