optique ondulatoire chap.1 : introduction à l'optique...

Optique ondulatoire Chap.1 : Introduction à l'optiqueondulatoire

Lycée St-Exupéry

�lière MP

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18 janvier 2017

Lycée St-Exupéry (MP) Optique ondulatoire 18 janvier 2017 1 / 16

Plan du cours

1 Émission et réception de la lumièreLes di�érents types de sources lumineusesÉtendue spectrale d'une source lumineuseNotion de cohérence temporelle d'une source lumineuse.Exemples de récepteurs lumineux.


I.1) Les di�érents types de sources lumineuses

a) Lampes à incandescence

• Principe : Chau�age d'un �lament par e�et Joule : T ≈ 2500 K


• Tout système porté à une température T émet un rayonnementélectromagnétique, appelé rayonnement thermique.

Ce spectre est prédit parla théorie du corps noir, etprésente un maximum en :

λmax(µm) =3000T (K )

Le spectre d'une ampoule à incandescence est un spectre continu


b) Lampes spectrales (ou lampes à décharge)

• Principe : Une haute tension est appliqué aux bornes d'un tube contenantun gaz. Ce gaz s'ionise, devient conducteur : il se forme un plasma.


• Le gaz conducteur est parcouru par un �ux d'électrons. Ces électronsentrent en collision avec les atomes du gaz qui sont alors excités, et sedésexcitent en émettant un photon (emission spontanée).

Processus d'émission spontanée :∆E = E2 − E1 = hν

Spectres de lampes à décharge :Mercure et Cadmium.

Le spectre d'une lampe à décharge est composé de raies spectrales.

• Ces raies spectrales sont caractéristiques des atomes présents dans letube de la la lampe à décharge. On peut donc remonter à la nature du gazpar spectrométrie.

• Lampes utilisées en TP : Mercure, Cadmium, Sodium.


c) LASER :

• L.A.S.E.R = Light Ampli�cation by Stimulated Emission of Radiation

• Un laser est constitué de deux miroirs (dont un semi-transparent) formantune cavité optique résonante dans laquelle est placé un milieu quiampli�e la lumière via le processus d'émission stimulée de la lumière.


Exemple : Laser Helium-NéonLe milieu ampli�cateur est un gaz (mélanged'hélium de de néon, proportion 1/10) danslequel on fait circuler une déchargeélectrique.

Ci-contre : Le spectre d'unlaser Hélium-Néon.

Le spectre d'un laser ne présente qu'une raie spectrale très �ne


c) Diode électroluminescentes (DEL) :

• En anglais : Light Emitting Diode (LED).

• Rappel : une diode est un composant quine laisse passer le courant que dans un seulsens.• Une diode est composé de matériauxsemi-conducteurs, qui sont des matériauxdans lesquels la relation courant-tension ennon-linéaire.• Certains semi-conducteurs ont égalementla propriété d'émettre de la lumière lorsqu'ilsont parcourus par un courant.• E�et découvert en 1907, commercialisé àpartir des années 70, LED blanches à partirdes années 90.


• Spectre de 3 LED : Bleue, Jaune et Rouge :

Le spectre d'une LED ne comporte qu'une seule raie, assez large


I.2) Étendue spectrale d'une source lumineuse

ATTENTION

• Une onde lumineuse est caractérisée par sa fréquence (ou pulsation).

• La longueur d'onde d'une onde lumineuse dépend du milieu dans lequell'onde se propage.

• Exemple : Onde émise par un laser rouge, de fréquence f = 474, 1 THz.

Quelle est sa longueur d'onde λ0 dans le vide ?Quelle est sa longueur d'onde λ dans du verre d'indice n =1.453 ?Quelle est la relation entre λ et λ0 ?

• Dans ce paragraphe, λ est la longueur d'onde dans le vide, et k le vecteurd'onde dans le vide. On a donc : ω = ck et λ = c/f


• On peut représenter le spectre d'une source en fonction de f , ω, k ou λ :


Notations :

• Étendue spectrale en longueur d'onde : ∆λ = λmax − λmin

• Étendue spectrale en fréquence : ∆f = fmax − fmin

• Étendue spectrale en pulsation : ∆ω = ωmax − ωmin

• Étendue spectrale en vecteur d'onde : ∆k = kmax − kmin

• Longueur d'onde moyenne : λ̄ = (λmin + λmax)/2

• Fréquence moyenne : f̄ = (fmin + fmax)/2

• Pulsation moyenne : ω̄ = (ωmin + ωmax)/2

• Vecteur d'onde moyen : k̄ = (kmin + kmax)/2


• Relation entre ∆f , ∆ω et ∆k : (prises de notes)∆ω = 2π∆f ∆ω = c∆k

• Relation entre ∆f et ∆λ : (prise de notes)

Monter que : ∆λ << λ̄ ⇒ ∆f =1c

∆λ

λ̄2


Ordres de grandeurs de largeurs spectrales en longueur d'onde (àconnaître) :

• Lumière blanche :

• Lampe à vapeur de sodium :

• LED :

• Laser :


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