Propriétés optiques des matériaux : réflexion, réfraction, dispersion, absorption

Documents pareils
Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

EXERCICE 2 : SUIVI CINETIQUE D UNE TRANSFORMATION PAR SPECTROPHOTOMETRIE (6 points)

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

Séquence 9. Étudiez le chapitre 11 de physique des «Notions fondamentales» : Physique : Dispersion de la lumière

La Fibre Optique J BLANC

ÉPREUVE COMMUNE DE TIPE - PARTIE D. Mesures sur les fibres optiques

Ecole Centrale d Electronique VA «Réseaux haut débit et multimédia» Novembre 2009

DIFFRACTion des ondes

Correction ex feuille Etoiles-Spectres.

G.P. DNS02 Septembre Réfraction...1 I.Préliminaires...1 II.Première partie...1 III.Deuxième partie...3. Réfraction

La fibre optique CNAM

Chapitre 6 La lumière des étoiles Physique

PHYSIQUE-CHIMIE. Partie I - Spectrophotomètre à réseau

PHOTO PLAISIRS. La Lumière Température de couleur & Balance des blancs. Mars 2011 Textes et Photos de Bruno TARDY 1

Q6 : Comment calcule t-on l intensité sonore à partir du niveau d intensité?

TP 2: LES SPECTRES, MESSAGES DE LA LUMIERE

OPTIQUE GEOMETRIQUE POLYCOPIE DE COURS

Niveau 2 nde THEME : L UNIVERS. Programme : BO spécial n 4 du 29/04/10 L UNIVERS

Mise en pratique : Etude de spectres

Application à l astrophysique ACTIVITE

Université Bordeaux 1 MIS 103 OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

TD1 PROPAGATION DANS UN MILIEU PRESENTANT UN GRADIENT D'INDICE

ANALYSE SPECTRALE. monochromateur

Module HVAC - fonctionnalités

Meine Flüssigkeit ist gefärbt*, comme disaient August Beer ( ) et Johann Heinrich Lambert ( )

Les bases de l optique

Mario Geiger octobre 08 ÉVAPORATION SOUS VIDE

Principes généraux de la modélisation de la dispersion atmosphérique

Tout savoir sur. la fibre optique. Livret didactique

TEMPÉRATURE DE SURFACE D'UNE ÉTOILE

Chapitre 22 : (Cours) Numérisation, transmission, et stockage de l information

Les moyens d observations en astronomie & astrophysique

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

INTRODUCTION À LA SPECTROSCOPIE

Comment mettre les mirages en boite?

pka D UN INDICATEUR COLORE

A chaque couleur dans l'air correspond une longueur d'onde.

2 e partie de la composante majeure (8 points) Les questions prennent appui sur six documents A, B, C, D, E, F (voir pages suivantes).

D ETECTEURS L UXMETRE SUR TIGE C OMPTEUR DE FRANGES A FIBRE OPTIQUE. Détecteurs

Caractérisation non linéaire de composants optiques d une chaîne laser de forte puissance

IR Temp 210. Thermomètre infrarouge. Des techniques sur mesure

QUELLE FIBRE UTILISER EN FONCTION DE MES APPLICATIONS. OM1, OM2 ou OM3, QUELLE EST LA FIBRE QU IL ME FAUT POUR MON INSTALLATION?

L PRESENTATION GENERALE SCPIO

TECHNIQUES: Principes de la chromatographie

La spectrophotométrie

Interférences et applications

Chapitre 11 Bilans thermiques

MESURE DE LA TEMPERATURE

Monitoring et suivi du comportement des chaussées

Mesures de PAR. Densité de flux de photons utiles pour la photosynthèse

Le câble de Fibre Optique dans les installations de Vidéo Surveillance (CCTV)

Chapitre 2 : Caractéristiques du mouvement d un solide

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

Dr E. CHEVRET UE Aperçu général sur l architecture et les fonctions cellulaires

Sujet. calculatrice: autorisée durée: 4 heures

TP n 1: Initiation au laboratoire

Rayonnements dans l univers

Chapitre 18 : Transmettre et stocker de l information

Eléments de caractérisation des diamants naturels et synthétiques colorés

RDP : Voir ou conduire

AFFAIBLISSEMENT DÛ AUX NUAGES ET AU BROUILLARD

Chapitre II PHÉNOMÈNES RADIATIFS: PROPRIÉTÉS D EMISSION. f AB = mc 2 e 2. β 1 k(υ)dυ N

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Spectrophotométrie - Dilution 1 Dilution et facteur de dilution. 1.1 Mode opératoire :

Le nouveau programme en quelques mots :

Lampes à DEL EcoShine II Plus

4. Conditionnement et conservation de l échantillon

Chapitre I La fonction transmission

Transmission et stockage de l information

QUELQUES ACTIVITES RELATIVES A LA PARTIE A Propagation d une onde ; onde progressive. Comment installer le format de compression divx?

Procédures de tests en réflectométrie. Septembre 2013

NOTICE DOUBLE DIPLÔME

FORMATION ASSURANCE QUALITE ET CONTROLES DES MEDICAMENTS QUALIFICATION DES EQUIPEMENTS EXEMPLE : SPECTROPHOTOMETRE UV/VISIBLE

PRODUIRE DES SIGNAUX 1 : LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES, SUPPORT DE CHOIX POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS

LAMPES FLUORESCENTES BASSE CONSOMMATION A CATHODE FROIDE CCFL

DIPLÔME INTERUNIVERSITAIRE D ECHOGRAPHIE. Examen du Tronc Commun sous forme de QCM. Janvier h à 16 h

(aq) sont colorées et donnent à la solution cette teinte violette, assimilable au magenta.»

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Leica MZ FLIII. Stéréomicroscope pour fluorescence un exemple lumineux de la technologie innovatrice de Leica.

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Chapitre 7 Les solutions colorées

TSTI 2D CH X : Exemples de lois à densité 1

La sécurité des biens et des personnes Comment se protéger des intrusions?

Sensibilisation à la Sécurité LASER. Aspet, le 26/06/2013

Colonnes de signalisation

Le polissage par laser

Microscopie de fluorescence Etat de l art

FICHE 1 Fiche à destination des enseignants

Chapitre 2 : Systèmes radio mobiles et concepts cellulaires

PROGRAMME DE PHYSIQUE - CHIMIE EN CLASSE DE SECONDE GÉNÉRALE ET TECHNOLOGIQUE

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

Activité 1 : Rayonnements et absorption par l'atmosphère - Correction

Association française de l éclairage. 21 mai 2014 Light On Architect - Lumibat

Biochimie I. Extraction et quantification de l hexokinase dans Saccharomyces cerevisiae 1. Assistants : Tatjana Schwabe Marcy Taylor Gisèle Dewhurst

Mesures par fibres optiques

La fonte des glaces fait-elle monter le niveau de la mer?

DM n o 8 TS Physique 10 (satellites) + Chimie 12 (catalyse) Exercice 1 Lancement d un satellite météorologique

Transcription:

Propriétés optiques des matériaux : réflexion, réfraction, dispersion, absorption Les matériaux utilisés pour réaliser des composants optiques sont ± réfringents (déviation du faisceau au franchissement d un dioptre, ) ± réfléchissants (pertes au franchissement d un dioptre, images multiples ) ± dispersifs (trajet différents selon la couleur λ, ) ± absorbants (pertes énergétiques selon le trajet Flux si L ) 1- Indice de réfraction n(λ) pour le visible et dispersion chromatique d un matériau transparent Dans le visible, l indice de réfraction d un matériau transparent varie peu mais suffisamment pour disperser la lumière (prisme, arc-en-ciel) Les faibles variations de n sont décrites par un modèle de Cauchy à deux paramètres: n(λ) = A + B / λ² (par exemple, données expérimentales issues rectangle rose) Exemple : un verre d indice médian n 1.52 (dans le vert), n varie seulement d environ 0.03 entre le bleu et le rouge. C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 1 Bruno Velay

2- Propagation des rayons lumineux dans un matériau 2.1- Propagation de la lumière à la vitesse c/n vitesse de la lumière dans le vide maximale c = 299 792 458 m.s -1 c air c vide 3 10 8 m.s -1 300 000 km.s -1 (indice n vide = 1.0 n air ) vitesse de la lumière dans un milieu c / n < c donc n > 1! ex : c verre 200 000 kms -1 dans un verre d indice n verre = 1.5 2.2- Propagation rectiligne ou non Propagation rectiligne dans un milieu d indice optique n uniforme (même valeur de n en tout point de l espace, à λ donné) Propagation dans de l air homogène n 1 Propagation non rectiligne de la lumière si indice n n est pas uniforme Propagation dans de l eau sucrée (excès de sucre au fond) Trajectoire courbée en allant vers une zone n. L indice optique peut varier en fonction : de la composition chimique, de la concentration, de la température C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 2 Bruno Velay

2.3- Mirages optiques Exemple : n air si ρ air (masse volumique). Or pour un gaz ρ air si T. Donc n air si T avec la trajectoire courbée vers n. Mirage inférieur : camion «dans la route» L indice n(t) diminue lorsqu on se rapproche du sol plus chaud Mirage inférieur : iceberg «flottant» L indice n(t) augmente lorsqu on se rapproche du sol plus froid Extrait de Traité élémentaire de physique expérimentale et appliquée A. Ganot 1847 C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 3 Bruno Velay

3- Réflexion / Réfraction lors d un changement de milieu Dioptre : interface de deux milieux transparents Sur un dioptre, on vérifie les lois de Descartes : Rayons coplanaires : les rayons restent tous dans le plan d incidence. Réflexion achromatique avec symétrie i 1 = i 1 (angles comptés en valeur absolue, repérés par rapport à la normale) Réfraction chromatique avec asymétrie : n 1 sin( i 1 )= n 2 sin( i 2 ) l angle réfracté dépend des indices «de réfraction» n(λ) donc de λ. Pour un rayon allant vers le milieu le plus réfringent : n 2 > n 1 i 2 < i 1 Pour un rayon sortant du milieu le plus réfringent : n 2 < n 1 i 2 > i 1 C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 4 Bruno Velay

La réfraction gouverne les directions de propagation des rayons dans un système optique Pour un rayon sortant du milieu le plus réfringent, avec un angle d incidence n n = n i > i lim il y a réflexion totale 2 ( 1lim) 1 > n sin i Application : fonctionnement d une fibre optique L angle i de sortie du rayon réfracté dépend de n(λ) : le prisme est dispersif. Le trajet des différents rayons colorés n est pas le même. 2 1 Prisme d indice n, d angle au sommet A Loi de la réfraction : en I sin i = n sin r et en I : n sin r = sin i Triangle SII : somme des angles = π A + (π/2 r) +(π/2 r ) = π A = r + r Déviation : D = D 1 + D 2 = (i r) + ( i r ) D = i + i A C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 5 Bruno Velay

4- Aspect énergétique pour un dioptre Comment interpréter cette photo? C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 6 Bruno Velay

transmission partielle à travers la vitre de la lumière venant de l extérieur Réflexion partielle sur la vitre de la lumière venant de la lampe intérieure Bilan de puissance des flux optiques sur le dioptre (en W) : F incident = F réfléchi + F transmis Flux optique réfléchi : F réfléchi = R F incident avec le coefficient énergétique de réflexion R : MAIS R = 1 = 100% en réflexion totale! R 4% pour un dioptre air / verre avec n 1 = 1 (air) et n 2 = 1.5 (verre) n R n 1 n + n 2 2 1 2 ou 1 Flux optique transmis : F transmis = T F incident avec le coefficient énergétique de réfraction T : MAIS T = 0 en réflexion totale! T 1-4%= 96% pour un dioptre air / verre T = 1 R Réflectivité : Table (n, R) des principaux matériaux pour l optique et l optoélectronique C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 7 Bruno Velay

5- Absorption de lumière par le milieu de propagation 5.1- Filtres absorbant à densité neutre Composant utilisé pour faire diminuer le flux F Transmission du filtre A= F F ex : si A = 0,1 seul 10% du flux passe le filtre A traduit la perte par absorption 0 A 1 matériau : opaque A = 0, transparent A 1=100% Selon le modèle : A fixé ou réglable (orientation) A est sensé être indépendant de la couleur λ (on dit «à densité neutre») out in 5.2- Filtres absorbant sélectif (action différente selon la plage de couleur) Filtre passe-bas dichroïque Filtre passe-bande très sélectif C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 8 Bruno Velay

5.3- Absorption : loi de Beer F ( L) = F exp( α( λ) L) 0 Le flux de lumière traversant un cylindre de section constante décroît exponentielle-ment lorsque sa longueur L augmente. F( L) Transmission A selon l épaisseur (sans unité) A = = exp( α ( λ) L) F0 où la longueur L est prise en m. α(λ) coefficient d absorption (en m -1 ) caractérise le milieu de propagation. A ( ) db 1 A 1. km db. m α λ = = atténuation linéique en db.km -1 ou db.m -1 4340 4.340 Exemple : utilisation optimale d une fibre optique «silice» (verre) dans l IR Atténuation linéique pour le verre de fibre optique Le minimum d atténuation du verre est dans l IR à 1.55 µm A db.km -1( λ III = 1,55 µm) 0.2 db.km -1 Il reste 10% du flux initial après un trajet de 50 km dans la fibre A 1 0.2 exp( ) exp db. km A = α L = L = exp 50000 = 0.1 = 10% 4340 4340 fort espacement donc baisse de coût des répétiteurs (amplificateur optique) pour les réseaux fibrés du téléphone et Internet. C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 9 Bruno Velay

Remarques sur le graphe : Pour le verre de silice, il y a plusieurs causes d atténuation (cf. Cours de Matériaux) - Absorption dans le matériau : pour la silice il y a deux bandes d absorption : dans l IR moyen (vibrations moléculaires) et dans l UV (transitions électroniques et moléculaires) - Diffusion Rayleigh, causée par le désordre des molécules dans le matériau amorphe : variant en λ -4, ce phénomène est responsable de la forte atténuation aux basses longueurs d onde. - Absorption intrinsèque, sous forme de pics, due aux ions OH - ou à des impuretés métalliques (éviter le contact des fibres avec l eau) Exemple : pertes à la traversée d une lentille de verre utilisée dans le visible Pour le visible, on extrapole une lecture sur la courbe, soit A 20 db.km -1 Pour une lentille optique de 1 cm d épaisseur (au plus!) soit 10-2 m), on a : A exp(- 20 0.01 / 4340) 0.999954 Phénomène plus que négligeable! C est la réflexion sur chacune des faces qui pénalise le flux transmis : dioptre entrée ( T=0.96 A 1 T= 0.96 ) dioptre sortie Il reste en sortie T A T = 0.96 2 0.92 = 92% du flux incident. 5.4- Atténuation AdB (en db) = 10 log ( A) A db 10 Une échelle logarithmique facilite l usage des nombres très petits ( L) F A db = 10 log = F 10 10 log10 λ 0 ln( exp( α( λ) L) ) 10 A db = 10 = α λ ln 10 ln 10 ( ) ( ) ( exp ( α( ) L) ) ( ) L Caractérisation du matériau par l atténuation linéique en db.m -1 ou db.km -1 A A db db 10 ( enm) ln ( 10) ( λ) 4. α( λ) α 34 db 1 = = =. m L A db 1 = =. km L A ( en km) AdB = A 1 L( enm) db m. et 4340 α( λ) A = 10 A db Il serait facile de confondre A, A db et A db.m -1 Exemple précédent de la fibre : il reste 10% du flux initial après 50 km car A db = 0.2 db/km 50 km = 10 db et A = 10-10/10 = 10-1 = 0.1 = 10% 10 C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 10 Bruno Velay

Sources des figures et des images : Optique géométrique C. Grossetête et P. Olive Ellipses 2006 http://www.filmetrics.com/refractive-index-database http://lyceebrizeux.cpge.pagesperso-orange.fr/mirages.htm http://www.linternaute.com/photo_numerique/temoignage/temoignage/196513/effe t-de-mirage/ http://tpemiragesg3.free.fr/inferieurs.htm http://www.ipev.fr/pages/terreadelie/accueilta57.html http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/bigpictures/descartes_7.jpeg Optique géométrique B. Balland PPUR 2007 http://commons.wikimedia.org/wiki/file:prisms_with_high_and_low_disp ersion.png vitrage Eloïse Dhuy http://photos.blogs.liberation.fr/.a/6a00d83451a26b69e20120a7c9d2c6970 b-500wi.jpg Photo personnelle https://www.edmundoptics.fr/optics/optical-filters/neutral-density-filters/1.0-od- 12.5mm-dia-absorptive-nd-filter/ https://www.edmundoptics.fr/optics/optical-filters/shortpass-edge-filters/550nm- 12.5mm-diameter-dichroic-shortpass-filter/#specs https://www.edmundoptics.fr/optics/optical-filters/bandpass-filters/632.8nm- CWL-12.5mm-Dia2.4nm-BandwidthOD6-Laser-Line-Bandpass-Filter/ Optoélectronique par Zeno Toffano Ellipse 2001 C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 11 Bruno Velay

Données : Applet Java sur les lois de Descartes : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/descartes.swf Bases de données d indice de réfraction : http://www.filmetrics.com/refractive-index-database et http://www.robinwood.com/catalog/technical/gen3dtuts/gen3dpages/refractioni ndexlist.html Applet Java sur le prisme: http://www.sciences.univnantes.fr/physique/perso/gtulloue/optiquegeo/prisme/prisme.html Sommaire PROPRIETES OPTIQUES DES MATERIAUX : REFLEXION, REFRACTION, DISPERSION, ABSORPTION... 1 1- Indice de réfraction n(λ) pour le visible et dispersion chromatique d un matériau transparent... 1 2- Propagation des rayons lumineux dans un matériau... 2 3- Réflexion / Réfraction lors d un changement de milieu... 4 4- Aspect énergétique pour un dioptre... 6 5- Absorption de lumière par le milieu de propagation... 8 Sources des figures et des images :... 11 Données :... 12 Sommaire... 12 C1 - Propriétés optiques des matériaux 1.0 12 Bruno Velay