Principes de base de l optique Nicolas Sandeau Maître de Conférences
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
Les gammes spectrales º ¼ 5:10 14 Hz
Interaction lumière-matière réflexion réfraction transmission absorption diffusion
Les sources
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
Les sources élémentaires D. Patra, I. Gregor, J. Enderlein, J. Phys. Chem. A 108 (33) p. 6836-6841 (2004)
Les sources Lampe blanche Lampe spectrale (Hg) Tube néon
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 8 10 13 ) P i = P m f t = 100 kw c
La détection
Les gammes spectrales º ¼ 5:10 14 Hz
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
Les détecteurs Deux catégories: Les détecteurs ponctuels : Photodiode, APD, PM Les imageurs (multi-pixels): CCD, CMOS
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
Les détecteurs-apd / PM APD PM 65% de rendement mais qqns d obscurité 20% de rendement mais pas de temps d obscurité
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!
Analyses spectrales
Les filtres absorbants Filtre qui nous apparait de couleur Cyan
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
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
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
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( )
Dispersion et impulsions courtes v = c n Ex: 0 = 900 nm t = 100 fs ) = (9:10 7 ) 2 = 27 3:10 nm 8 10 13
Diffraction par N fentes 0.01 λfixée 0.008 0.006 N=2 0.004 0.002 10 20 30 40 0.02 0.015 N=3 0.01 0.005 0.25 10 20 30 40 0.2 0.15 N=10 0.1 0.05 10 20 30 40
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
La diffusion de Rayleigh I / 1 4 rouge bleu
Polariseurs et polarisations
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
Les polarisations Polarisation rectiligne Polarisation circulaire Polarisation elliptique
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
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 1 0 30 60 90 i B
Les polariseurs Polariseurs par des prismes biréfringents Prisme de Rochon Prisme de Glan-Thompson Prisme de Wollaston Cube polarisant
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
Mesurer la phase?
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
Les interférences I = I 1 + I 2 + 2 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
Les lentilles et objectifs
Les lentilles p 1 p 1 0 p = 1 f 0 f f P' f
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
Les lentilles et les aberrations Aberration géométrique de sphéricité Aberration chromatique
Les lentilles et la diffraction h f 0 µ J 1 k h 1 B f 0r C @ r A 2 NA = n sinµ µ µ J1 (k NA r) k NA r 2 Tache d Airy
La tache d Airy µ J1 (k NA r) k NA r 2 Tache d Airy 1;22 2NA
Optique de Fourier Ex: faisceau de Bessel Am. J. Phys. 67 (10), 1999