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

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1 Organisation des appareils et des systèmes: Bases physiques des méthodes d exploration UE 3A Le domaine de l optique Dr JC DELAUNAY PACES- année 2015/2016

2 OPTIQUE GEOMETRIQUE Stigmatisme Miroirs Dioptres Lentilles

3 Lentille convergente Lumière B A A F O F B

4 Lentille divergente Lumière B B A A O F F

5 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 2015/2016

6 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)

7 Cavité Colloque bordeaux-jullien Miroir semi-réfléchissant Miroir v atomes molécules ions Photons Source excitatrice

8 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 (même u situation de résonance) Photon émis dans une direction quelconque DE = E 1 - E 0 = hu Fluorescence (l) (nanoseconde)

9 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

10 Loi de Boltzmann: n 2 = n 1 exp [- (E 2 E 1 ) / kt E 2 hu (n 2 ) 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)

11 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

12 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.

13 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 Interférences constructives

14 Il faut que les ondes réfléchies soient en phase Interférences constructives Intensité maximale Condition remplie pour 2L = n l n entier positif u= n c 2L 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.

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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)

20 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 aux femtosecondes

21 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

22 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

23 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).

24 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

25 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

26 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

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

28 Risques: Les risques sont liés principalement aux effets thermiques Brûlures. Lésions oculaires (brûlure de la rétine) à partir de quelques mw. Ils sont accrus si la longueur d onde n est pas dans le spectre Visible. Port obligatoire de lunettes protectrices et éviter les surfaces Réfléchissantes.

29 Concours Cocher la (ou les) propositions vraie(s) A, B, C, D A - Les lasers à CO 2 sont utilisés dans l'industrie pour la découpe de matériaux. B - Un laser est un amplificateur de lumière faisant appel à l émission stimulée. C - L'inversion de population peut être obtenue en utilisant le pompage optique. D - Le faisceau émis par le laser est une onde lumineuse qui transporte de l énergie. E- Dans un laser à milieu solide, la longueur d onde d émission du faisceau dépend uniquement des propriétés de la matrice.

30 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

31 Concours prisme Cocher la (ou les) proposition (s) vraie (s) Un faisceau lumineux monochromatique arrive, comme indiqué sur la figure ci-dessous, sur un prisme d angle au sommet A 1 et d indice n. Le faisceau lumineux arrive sur la face A 1 B 1 avec un angle d incidence i 1 = 40. On constate que, dans ces conditions, l angle d émergence du rayon sortant i 2 est aussi de 40. On notera r 1 l angle de réfraction issu de i 1 et r 2 l angle de réfraction issu de i 2. sin 20 = 0,34; sin 30 = 0,50; sin 40 = 0,64; sin 50 = 0,77; sin 60 = 0,87. A - Nous sommes dans les conditions du minimum de déviation. B - L angle de déviation D du faisceau lumineux est égal à 20. C - L angle de déviation D du faisceau lumineux est égal à 30. D - L angle de réfraction r 1 est égal à 30. E - La valeur numérique de l indice n du prisme est égale à 1,28. angle d incidence i 1 = angle d émergence du rayon sortant i 2 D = i incident + i émergent - A = 2 i - A D = = 20 sin i 1 = n sin r 1 r 1 + r 2 = A r 1 = r 2 2 r 1 = A r 1 = 30 n = sin i 1 sin r 1 n = sin 40 sin 30 = 0,64 0,50

32 FIN