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Mesures Physiques 2016/2017

• Cours: irene.ventrillard@univ-

grenoble-alpes.fr

• TD : E. Bidal, G. Martin, I.V.

• TP : responsable : G. Martin

Objectif du cours : Comprendre et étudier des effets optiques qui nous entourent

I. Ventrillard

Plan du cours

– Ch1 : Bases de l'optique ondulatoire

– Ch2 : Interférences à deux ondes

– Ch3 : Diffraction

– Ch4 : Interférences à ondes multiples (réseaux)

– Ch5 : Polarisation

Cours en lien avec…

• A l’IUT :

• Suite de l’optique géométrique S2/SP2

• En lien avec le cours d’ « OPTO-ELECTRONIQUE » de S4/SP4, chaîne optique, sources (LED, lasers…), détecteurs (PD, CCD…), modulateur électro-optique…

• Après l’IUT :

• L3, Master, écoles d’ingénieurs, thèses…

• L’optique est présente dans notre vie quotidienne et dans beaucoup de métiers !

Pré-requis

• Matériel : une calculatrice graphique (et pas de téléphone!)

• Ondes (TS) : « Caractéristiques et propriétés des ondes » (onde plane, progressive, sinusoïdale, interférences et diffraction – enseignement de spécialité PC)

• Optique géométrique (S2) : – Ondes : Liens entre longueur d’onde, célérité de l’onde,

fréquence, définition de l’indice

– Propagation de la lumière : Dioptres, lentilles, miroirs

• Outils mathématiques (S1) : trigonométrie, fonctions sinus/cosinus, intégrales.

• Sondage : • valeurs de x tel que cos(x) = 1 ?• valeurs de x tel que cos²(x) est minimum ?

Organisation de l’enseignement

• 5 x 2h séances d’amphi

• 7 x 2h de TD

• 5 x 4h de TP

• Amphis :

– Support : transparents à trous. Pas complets : prendre des notes!

– Des exercices du poly de TD traités en amphi

• TD : Travail en groupe, pas de correction au tableau (contrairement

aux amphis), 1 CR par groupe

• Chamilo: http://chamilo1.grenet.fr/ujf/

• Polys crs/TD/TP

• Corrections détaillées

de certains exercices

I. Ventrillardhttp://chamilo1.grenet.fr/ujf/courses/IUT1MPH2M3202/index.php

Evaluations

3xDS + 1xCC + 1.5xTP

• DS (1h30) :

– Sans documents

– Avec calculatrice

– Formulaire de trigonométrie succinct fourni (cf diapo suivante)

• CC : tests (6x10-20min à priori)

– Questions et démonstrations de cours portant sur l’amphi (avant traitement du sujet en TD)

– Sans calculatrice

– Pas de rattrapage (si abs injustifiée => zéro)

• DS, CC ,TP : Orthographe prise en compte (malus)

Formules de trigonométrie

1cos cos cos( ) cos( )

1cos sin sin( ) sin( )

1sin sin cos( ) cos( )

a b a b a b

cos cos 2cos cos2 2

cos cos 2sin sin2 2

p q p qp q

sin sin 2sin cos2 2

p q p qp q

• Fourni en DS : uniquement le formulaire de linéarisation :

• Autres formules : à connaitre http://gilles.costantini.pagesperso-orange.fr/Lycee_fichiers/CoursT_fichiers/formtrig.pdf

cos ...2

Bibliographie• Très nombreuses références dont (biblio MPH):

– Cours MPh, Irène Ventrillard

– Optique Ondulatoire, collection H Prépa, 2ième année, Hachette

– Physique PC*/PC, collection Prépas sciences, Ellipses

– Optique, Hecht, Pearson education

– Richard Taillet, Optique physique propagation de la lumière, De Boeck, 2006

• Ex sites Web (animations, exos, cours, pas seulement optique) :

http://coursouverts.ujf-grenoble.fr

http://ressources.univ-lemans.fr

www.f-vandenbrouck.org

http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/

http://espacelycee.editions-bordas.fr/enseignan/nodeorder/term/553

Chapitre 1 : Bases del'optique ondulatoire

• Qu’est ce qu’une onde ?

• Comment détecter une onde lumineuse ?

palmes.wordpress.com fr.123rf.com

• Objectif : définir un formalisme pour décrire une onde lumineuse

• Ecrire l’expression d’une onde qui se propage :

- temporellement : E(t)=

- spatialement : E(z)=

- spatialement et temporellement :

• Sens physique des paramètres introduits ?

• Vecteur d’onde ?

• A z fixé, quelle est l’onde qui est en avance ?

1. Optique : quel type d’onde ?1.1. Formalisme mathématique

kztEtzE cos),( 0

(Signe négatif : onde qui se propage vers les z>0)

tE1E2 2 - 1 > 0 ou < 0 ?

(Attention : graph à z fixé)

=> Prop : à un instant t donné,dans un plan perpendiculaireà l’axe de propagation z,l’amplitude est constante

1.2. Onde plane progressive monochromatique (OPPM)

• OPPM se propageant selon (Oz) :

• Onde plane : Même amplitude dans un plan à un instant tdonné.

0 0( , ) ( , ) cosE M t E z t E t kz

OPPM (suite)

• Onde progressive : signal qui progresse sans êtredéformé

• Onde monochromatique : signal à une fréquencedonnée (ondes sinusoïdales)

0 0( , ) ( , ) cosE M t E z t E t kz

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.2

Profil onde non monochromatique

Somme 100 harmoniques

Somme 1 harmoniques f=0.1Hz

Somme 5 harmoniques f=[0.1-0.5]Hz

Somme 10 harmoniques f=[0.1-0.5]Hz

Prop : Toute fonction périodique est décomposable en une superposition de fonctions sinusoïdales (série de Fourier)

Ex : Créneaux

Onde progressive et transversale

OPPM (suite)

• Est-ce qu’une onde peut être rigoureusement une OPPM ?

• Peut-on décrire une onde émise

par une source ponctuelle comme

une OPPM?

ultrafil.free.fr

Modélisation de la source ponctuelle :

• Faisceau laser collimaté :

Onde progressive ?

Onde plane ?

1.3. Onde transverse ou longitudinale

• Onde longitudinale : vibration dans la direction parallèle à l’axe de propagation.

• Onde transverse : vibration dans le plan perpendiculaire à l’axe de propagation.

Onde progressive et transversale

1.4. Onde électromagnétique

• Champs électrique et magnétique couplés:

nEkB Z

1Cas d’une onde plane:

• OPPM

• Onde transverse

• Vitesse de propagation :n

(cf éq. Maxwell)EB

Animation (eduMedia)

2. En pratique : Sources lumineuses et détection de la lumière …2.1. Sources lumineuses

• Quels types de sources ?

• Quels types de spectre ?

• Processus d’émission de la lumière ?

émission atomique

=> Notion de train d’onde : fonction quasi-sinusoïdale de durée (temps de cohérence)

Phase bien définie que pendant la durée !!

Sources lumineuses (suite)

• Longueur de cohérence : cLc

Lampe à vapeur de Hg 1cm 30ps

Laser He-Ne 1m 3ns

Diode laser à semi-conducteur 100m 300ns

• Quels instruments ?

=> œil, photodétecteur, CCD…

• Quels temps de réponse ?

=> Œil : 1/20 s, capteurs : 1µs à 10-10s pour les plus rapides

• Quelle est la grandeur physique détectée?

• Période d’oscillation d’une onde visible :

Exemple : = 600 nm => f = 500 THz, T = 2.10-15 s !!!

=> un capteur mesure uniquement la moyenne temporelle du flux énergétique

• <E(t) > = ? (Notation : < > moyenne temporelle )

• alors quoi ?

2.2. Détection de la lumière

Les détecteurs sont des détecteurs quadratiques :

sensibles à

Rappel maths:

• On définit l’intensité lumineuse comme étant la puissance par unité de surface : I [ W/m² ]

=> Permet de s’affranchir de la taille du détecteur

• On montre que (équations de Maxwell) :

2.3. Intensité lumineuse et éclairement

0 ( , )I M nc E M t

• Dans le vide (ou l’air), pour simplifier les notations, on étudiera l’éclairement qu’on appellera aussi de manière abusive « intensité »:

n : indice du milieuε0 : permittivité diélectrique du vide (ε0 = 8.85 x 10-12 F/m)

( , ) ( , )E M t E M t

( , )E M t

cos( )t

2cos ( )t

tMEMIM ,2)"(")( 2

3. Phase d’une onde lumineuse monochromatique

• Est-ce que les détecteurs optiques sont sensibles à la phase du champ électrique ? => pas directement

• Peut-on tout expliquer en ne raisonnant qu’avec l’intensité lumineuse ?

Exemple : Expérience des fentes d’Young

particules.lescigales.org

(manipe) Animation (http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr)

3.1. Importance de la phase

• Interférences de 2 ondes lumineuses :

• Le signal en O dépend du déphasage…

Pour l’onde A, la phase en O dépend de la phase au point A et de la distance AO.

Pour l’onde B, la phase en O dépend de la phase au point B et de la distance BO.

=> Notion de chemin optique0

1 2 3( )AB n AI n IJ n JB

3.2. Chemin optique et différence de marche

• Soit une source S. La différence de marche optique entre A et B est définie par la différence des chemins optiques:

• Définition du chemin optique : ( )AB nAB

Généralisation à différents milieux (homogènes) :

( ) ( )AB SB SA

Onde sphériquehttp://forumbachelor.free.fr

VRAI ou FAUX: Bx

∆BC= n CB ?

∆AB= n AB ? VRAI (2D)

FAUX (3D)

3.3. Différence de phase : lien avec la différence chemin optique

• Pour une OPPM, lien entre déphasage et différence de marche :

• Application : Exprimer les différences de marche en fonction de λ et en déduire les déphasages (propagation dans l’air):

∆AB= 2λ

∆AC = λ/2 φAC = π

φAB= 4π ≡ 0

Exemple : Interféromètre de Michelson

• Calculer la différence de marche optique et le déphasage au point M entre les deux rayons émergents du Michelson.

• Même question avec une lame de verre

3.4. Front d’onde

Définition : le front d’onde est le lieu des points M tel que le chemin optique (SM) soit constant

Onde sphérique

(S ponctuelle)

Onde plane

(S à l’infini)

Conséquence : tous les points d’un front d’onde sont

en phase (mais pas en phase avec S)

• Théorème de Malus : les rayons lumineux issus d’une source ponctuelle sont normaux aux front d’onde

• Les rayons représentent la direction de propagation de l’énergie lumineuse (orientés selon k )

BILAN du Chapitre 1 : Bases de l'optique ondulatoire

Concepts Théoriques :

Nature de l’onde :

Onde transverse, onde progressive, onde plane, onde plane progressive, onde plane progressive monochromatique (OPPM)

Composition d’une onde électromagnétique

Notion de rayon lumineux, de front d’onde (Théorème de Malus)

Notion de vecteur d’onde

Notion de train d’ondes

Savoir faire :

Expression du champ électrique d’une OPPM

Calcul de l’intensité lumineuse

Calcul du chemin optique

Calcul du déphasage

Calcul de la différence de marche optique

Chapitre 2 : Interférences à deux ondes

particules.lescigales.org

• Qu’appelle-t-on « interférences » ?

• Qu’est ce qui caractérise une figure d’interférence ?

• Dans quelles conditions observe-t-on des interférences ?

• Objectif : savoir calculer l’intensité résultante de l’interférences entre 2 ondes et analyser la figure d’interférences.

Dualité onde/corpuscule : Expérience des fentes d'Young

De + en + de photons

Rappel du cours de SAM

(manipe)

1. Introduction

• Déf : 2 sources interfèrent si l’intensité résultante de la superposition diffère de la somme des intensités individuelles

• Phénomène transversal à la physique :

– optique

– ondes sonores

– ondes mécaniques.

• Etude des interférences

=> Calcul de l’intensité lumineuse, en toute rigueur :

Mais ici (n fixé) :

0 ( , )I M nc E M t

( : moyenne temporelle)

tMEMI ,2)( 2

2. Modèle scalaire de la lumière• Pour l’étude des interférences on considère une OPPM qui

vibre selon la direction u :

On ne s’intéressera qu’à E(M,t) (grandeur scalaire)

Remarques :

o Ce modèle suppose seulement que les différentes composantes vectorielles du champ sont indépendantes.

o Ce modèle considère une onde polarisée rectilignement (chapitre 5).

• Théorème de superposition des champs :

• Attention :

uzktEutMEtME

.cos),(),( 0

i tMEtME ),(),(

I( , ) ( , )i

M t I M t

3. Interférences à 2 ondes3.1 Calcul de l’intensité

• Méthode pour calculer l’intensité en M (valable pour 2 ou N ondes) :

1) Calcul du champ total (théorème de superposition)

2) Calcul de l‘intensité :

M• Deux sources ponctuelles S1 et S2

( , ) ( , )N

E M t E M t

(calcul)

tMEMI ,2)( 2

=> Appliquer cette méthode pour calculer le champ au point M

Calcul de l’intensité (conclusion)• Calcul à savoir faire !

• Résultat pour 2 ondes monochromatiques de même longueur d’onde et de même intensité I0 :

2 1 cos

4 cos2

Le déphasage est lié :

- à la différence de marche M= (S2M) - (S1M)

- au déphasage S1S2 entre les sources S1 et S2 (s’il y en a un)

Remarque : on a bien I > 0

avec :1 2

2 MM S S

=> I Dépend de M => non uniforme : figure d’interférences

0 2 44 20

• Expérience 1 : 1 laser vert et 1 laser rouge

• Expérience 2 : 2 lampes de poche

• Expérience 3 : 2 lampes de poche avec un filtre très sélectif

• Expérience 4 : 2 lasers de même longueur d’onde

Est-ce que 2 sources différentes peuvent interférer ?

3.2. Critères de cohérence

• Théorie basée sur le modèle d’OPPM (onde sinusoïdale)

• Une onde réelle a nécessairement un début et une fin !!!

=> meilleur modèle : le train d’onde

L’émission de lumière repose sur la désexcitation d’atomes qui induit l’émission de trains d’onde.

Critères de cohérence (suite)

Cohérence temporelle : deux trains d’onde ne peuventinterférer que s’ils se recouvrent en partie dans l’espace. Celaest possible si leur différence de marche est inférieure à leurétendue spatiale LC.

Fenêtre de recouvrement

t1 < τC

t2 > τC

t1 < τC (ou Δ < LC) => interférences

t2 > τC (ou Δ > LC) => pas d’interférence

té lu

Trains d’onde

• Durant un train d’onde : constante

• D’un train d’onde à l’autre :

varie aléatoirement

• Temps de réponse du détecteur :

( ~10-9 - 10-11s)

LC = τCvv : vitesse de propagation du train d’onde (v = c dans l’air).

• Train d’onde : onde dont l'étendue spatiale et temporelleest finie, d’une durée τC occupant dans l’espace unelongueur LC .

• Lien entre τC et LC ?

=> Moyennage sur plusieurs trains d’onde

Critères de cohérence (suite)• Sur le détecteur :

22 cos M

S SI M I I I I

1 2 1 2

• Lorsqu’on change de train d’onde pendant la durée , ledéphasage entre 2 sources varie aléatoirement dansl’intervalle [0,2]. Donc :

2cos 0M

• Conclusion : 2 sources sont cohérentes (donc peuventinterférer) si et seulement si elles sont issues d’une mêmesource ponctuelle monochromatique.

• Expérience 1 : 1 laser vert et 1 laser rouge

• Expérience 2 : 2 lampes de poche

• Expérience 3 : 2 lampes de poche avec un filtre très sélectif

• Expérience 4 : 2 lasers de même longueur d’onde

Est-ce que 2 sources différentes peuvent interférer ? (Bilan)

Bilan :

Exp 1 et 2 : longueurs d’onde différentes

=> Pas d’interférences (cf calcul précédent)

Exp 3 et 4 : 2 sources différentes de mêmes longueurs d’onde éclairent le même point. L’intensité totale est égal à :

I M I M I M 1 2

=> condition 1 = 2 : pas suffisante

3.3. Analyse de la figure d’interférences : La magie des interférences…

=> « lumière + lumière = obscurité ! »

Les 2 ondes interfèrent destructivement.

0I M • Franges sombres (min de I) :

=> Zones de « surintensité » !

Les 2 ondes interfèrent constructivement.

04I M I

• Et l’intensité moyenne?0( ) 2

écranI M I

• Franges claires, ou brillantes (Max de I) :

• Lien entre l’observation sur l’écran et le calcul de l’intensité ?

• Définition : interfrange i

4. Interférences avec les trous d’Young en détails4.1. Description du dispositif

• Dispositif le plus simple pour observer des interférences

• S de très petite dimension éclaire un écran percé de 2 petits trous S1 et S2

• D’après les lois de l’optique géométrique, que devrait-on observer sur l’écran ?

=> tâches dans la direction (SS1) et (SS2)

• En réalité : diffraction (cf « ch Diffraction »)

• S1 et S2 sont cohérentes

=> elles interfèrent dans la zone

de l’espace où elles se recouvrent

(champ d’interférences)

Dispositif des fentes d’Young (suite)

• On considère que S1 et S2 sont des trousde même dimension, symétriques parrapport à l’axe.

• Conséquences :

- En phase car symétrie par rapport à (Sz)

- Même intensité (mêmes trous)

• On a donc 2 sources cohérentes de même intensité et en phase :

1 20S S

1 2 0I I I

22 1 cos MI M I

4.2. Etude de l’intensité dans un plan (P) parallèle à (S1S2)

• Notations :

a = S1S2 ; D = O’O ; x = OM

=> Hypothèses :

D >> a et D >> x

OO’a

• Calcul de la différence de marche M :

• Ordres de grandeur :

a ~ 1 mm ; D ~ 1 m ; x < 1 cm

(calcul à savoir faire)

Eclairement dans un plan // à S1S2 (suite)

• Ne dépend que de x :

La figure d’interférences est

constituée de franges rectilignes (x=cst)

http://physique-eea.ujf-grenoble.fr/

Expérience:

2( ) 2 1 cos

axI M I x I

• Fentes verticales: avec des sources ponctuelles, figure peu lumineuse. Les franges étant rectilignes, on peut remplacer les sources ponctuelles par des fentes // à (Oz)

• On observe les franges dans la direction perpendiculaire aux fentes

Théorie :

OO’a

4.3. Calcul de l’interfrange

Dx m m Z

2) Interfrange :

1) Position des franges brillantes (max de I) :

Méthode :

1) Calcul de la position des franges brillantes (ou de celles des franges sombres)

2) Calcul de l’interfrange :

1bis) Position des franges sombres (min de I) :

1m mi x x

Di x x

(calcul)

Interfrange (suite)

• A.N. : D = 2 m, a = 1 mm, et = 633 nm => i = 1,27 mm

=> Mesure facile

=> C’est ainsi que Thomas Young (1773-1829) a pu mesurerpour la première fois des longueurs d’onde de radiationlumineuse.

4.4. Ordre d’interférence et frange centrale

• Définition : Ordre d’interférence, p :

p pas forcément entier !

Pour les trous d’Young :

p pour frange brillante ? p entier

p pour frange sombre ? p demi-entier

• Définition : Frange centrale = frange qui correspond à = 0.

Pour les trous d’Young : = 0 => p = 0

Pour les fentes d’Young : la frange centrale est brillante, elle est située en x = 0.

4.5. Fentes d’Young en lumière blanche

• Expérience :

pas monochromatique mais on voit des franges, pourquoi ???

• i dépend de (attendu)

A.N. : D = 2 m, a = 1 mm :

= 633nm (rouge) => i = 1,27 mm

= 450nm (bleu) => i = 0,90 mm

• A quoi correspond la frange blanche ?

http://espacelycee.editions-bordas.fr/enseignant/anim/partie_1_sequence_4_activite_4_interferences

http://coursouverts.ujf-grenoble.fr

4.6. Contraste

• Définition :

• C MAX = 1 (100%), obtenu si : Imin= 0

• Expérimentalement, le contraste est rarement de 100 %.

• Exemple : Cas de deux ondes d’intensités différentes

I =f() :

• trait continu : I 1=I 2

• tirets : I1 = 2 I2

• pointillés : I1 = 4 I2

4.7. Notion de cohérence• Autres causes de diminution de contraste :

– (S ) pas rigoureusement ponctuelle

=> analogue à plusieurs points sources incohérents

– (S ) pas rigoureusement monochromatique

=> analogue à plusieurs sources monochromatiques

Dans les 2 cas : brouillage des franges

• La cohérence (et donc C ) est d’autant plus grande que :

– (S ) est de petite dimension (cohérence spatiale)

– (S ) émet dans un intervalle étroit de fréquence (cohérence temporelle)

• Conclusion : Si 2 sources sont cohérentes spatialement et temporellement on peut observer des interférences (dans le champ d’interférences…)

• Mesure précise d’indice ou d’épaisseur de lames

• Interférométrie stellaire :VLTI (Very Large Telescope Interferometer)

4 télescopes de 8,2m. Interférométrie => résolution angulaire x 25 : 1millisec d’arc (2m (taille d’un homme) sur la lune depuis la terre)

http://www.eso.org

4.8. Exemples d’application des fentes d’Young

TD2, Exo 5

TD2, Exo 9

5. Dispositifs pour réaliser des interférences (sources cohérentes)

Il y a 2 « familles » de dispositifs pour créer 2 sources cohérentes :

1) Systèmes à division du front d’onde : l’onde issue de (S ) est séparée spatialement en 2 ondes qui traversent des dispositifs optiques différents

Ex : trous d’Young

Dispositifs expérimentaux pour réaliser des sources cohérentes (suite)

2) Systèmes à division d’amplitude : l’onde issue de S est séparée en 2 en utilisant une lame semi-réfléchissante.

• Exemples : lames minces (bulles de savon)

Interféromètre de Michelson

• S : Source

• M1, M2 : 2 miroirs orientables

• Sp : Lame « séparatrice », lame semi-réfléchissante

• Où observe-t-on ?

6. Interféromètre de Michelson6.1. Description du dispositif

• Système à division d’amplitude (diapo précédente)

• Schéma de principe et photo :

M2 est monté sur une translation => Utile pour mesures…

6.2. Schéma équivalent

les systèmes optiques ({M1+M2+Sp } éclairé par S ) et ({M’1+M’2 } éclairé par S’ ) sont équivalents

' 'SKPKB S KP KB

'SKQKA S KQKA

P’Sp

S’SpS

SpM2 M’2

Schéma équivalent : lames d’air

• Si M1 et M2 sont perpendiculaires :

Lame d’air à faces parallèles,

d'épaisseur e.

• Si M1 et M’2 forment un petit angle :

Coin d’air d’angle

e correspond à la différence de longueur entre les 2 « bras » de l’interféromètre

6.3. Coin d’air

• Hypothèses : M1 est éclairé proche de l’incidence normale et petit.

• Bilan : 0

22 1 cosI M I

( ) 2 ( ) 2x e x x

=> Figure d’interférences :

Franges rectilignes « franges d’égales épaisseur » localisées sur les miroirs

∆= 2e cosθS

(2)(1)

6.4. Lame d’air à faces parallèles

=> Systèmes équivalents à 2 sources :

22 1 cosI M I

• Calculer en fonction de e et θ

(à savoir démontrer)

(2)(1)

• Quelle figure d’interférences ? Pourquoi? Où ?

« anneaux localisés à l’infini »

TD2, Exo 8

6.5. Figures expérimentales

• Quelle configuration du Michelson correspond à chaque observation ?

• Quels sont les paramètres qui ont changé pour passer d’une figure à une autre ?

http://physique-eea.ujf-grenoble.fr/

6.6. Exemples d’applications

• Lame d’égale épaisseur : Couleur des bulles de savon, des ailles de papillon…

http://lehollandaisvolant.net

FT-IR Spectrum Two

PerkinElmer (TP spectro)

• Michelson : Spectroscopie à Transformée de Fourier : FT-IR(TP Spectroscopie S3)

http://faculty.sdmiramar.edu

BILAN du Chapitre 2 :Interférences à 2 ondes

Définition d’une interférence

Critères de cohérence

Interfrange

Frange brillante, frange sombre

Ordre d’interférence

Contraste

Interférence en lumière polychromatique

Division du front d’onde et division d’amplitude

Trous (ou fentes) d’Young

Interféromètre de Michelson

Lame d’air à faces parallèles

Coin d’air

BILAN du Chapitre 2 :Interférences à 2 ondes

Savoir faire :

Calcul de la figure d’interférences pour un système à 2 ondes

Calcul de la différence de marche

Calcul de l’interfrange

Calcul de la position des franges sombres et brillantes

Savoir utiliser les systèmes optiques équivalents

Calcul de la figure d’interférences et des différences de marche dans le cas des trous d’Young et de l’interféromètre de Michelson dans ses diverses utilisations

Expliquer les figures d’interférences observées dans le cas des trous d’Young et de l’interféromètre de Michelson dans ses diverses utilisations

Chapitre 3 : Diffraction

• Diffraction par une fente

• Diffraction par un trou

http://espacelycee.editions-bordas.fr/enseignant/anim/partie_1_sequence_4_activite_2_diffraction

1. Cadre de l’étude• Limite de l’optique géométrique : propagation rectiligne n’est

plus vérifiée lorsque la taille caractéristique de l’ouverture est comparable à la

• On se limitera ici aux conditions de Fraunhofer :

– Onde incidente = onde plane

– Observation de la figure de diffraction à l’infini

• Exemple pour une fente :

Diffraction résulte de l'interférences entre des fentes infinitésimales de largeur dx (sources cohérentes).

=> Méthode : calculer E puis Iz

2. Diffraction par une fente

Résumé (cf TD) pour une fente de largeur a :

• Intensité diffractée dans la direction θ :2

sin( )sin

( )sin( )

I X Ia i

• Si D >> a et D >> (alors sin θ ~ X/D) : largeur de la tache centrale = 2D/ a

http://physique-eea.ujf-grenoble.fr

• Application : Mesure de la largeur d’une fente (cf TP)

• Valeur du max secondaire = 0,047 x I0

• Puissance dans le lobe principal = 84%

• Tache centrale, deux fois plus large que les autres

a : largeur de la fente

• Figure de diffraction crée par un cheveu?

3. Principe de Babinet

• Principe de Babinet : La forme d'une figure de diffractionest la même si elle est obtenue à partir d'un corps opaqueou de son « conjugué », obtenu en perçant une plaque auxemplacements où se situe ce corps (en dehors de l'imagegéométrique).

Idem qu’une fente de même dimension !!! Voir TP…

4. Diffraction par un trou• Anneaux de diffraction concentriques

• Pas d’expression analytique simple

• Rayon angulaire de la tache centrale :

• Def : plus petite distance séparant deux points qui peuvent être distingués.

• Lim de résolution de l’œil dans le visible : 0.1mm à 25cm (PP)

• Exemple TP « Microscope » S2 : objectif

d : diamètre du trou

I. Ventrillard

...!d D

limite de résolution

due à l'oeil

limite de résolution

due à la diffraction

puissance intrinsèque (u.a.)

Grandissement de l’objectif

A.N : λ=500nm, d=1µm, dimension de la tache centrale à D=10 cm ?24 cm de diamètre

4.1. Limite de résolution

f '22,1

4.2. Application à l’imagerie

Imager un objet « ponctuel » très éloigné (ex: une étoile!) avec une lentille de focale f ’ et de diamètre d.

Ecran=> Rayon de la tache sur l’écran :

• Applications:- Pour observer des étoiles doubles, il

faut des lentilles de grande dimension

http://astro2009.futura-sciences.com

- Télescope amateur : d = 20 cm, f = 1m de focale = 4 µm (λ = 600 nm) <=>D = 4.10-6 radMinimum pour l’œil : 4.10-4 rad => besoin d’un oculaire avec = 100 !

1.22Dd

« Deux points objets seront distinguables si le centre des images est séparé d’une distance au moins égale au « rayon » de la tache de diffraction. »

1.22Dd

4.3. Critère de Rayleigh

Exemple: Telescope

Le télescope Keck à Mauna Kea (Hawaii), possède un diamètre effectif de 10 m.

• Quelle doit-être la distance minimale (limite de résolution) entre 2 lucioles situées sur la lune (D ~ 370 000km) pour que le télescope les distingue ?

Réponse : 27 m

m 2710.70,310.7,3

arcd' secondes 015,010.3,710

10.60022,1

minmin

BILAN du Chapitre 3 : Diffraction

Diffraction par une fente et par une ouverture circulaire

Limite de résolution

Savoir faire :

Connaître les figures de diffraction par une fente et une ouverture circulaire.

Savoir calculer l’intensité qui correspond à la figure de diffraction par une fente.

Savoir calculer la largeur de la tache centrale de diffraction par une fente.

Savoir calculer la dimension de la tache centrale de diffraction par une ouverture circulaire.

Savoir appliquer le critère de Rayleigh.

Comment expliquer ces images ?

http://physique-eea.ujf-grenoble.fr

http://physique-watteau.perso.sfr.fr

• Quels dispositifs optiques ?

• Quels phénomènes optiques ?

photo SAVE - FUNDP

Chapitre 4 : Interférences à ondes multiples

(Réseaux)

• Réseaux, application à la spectroscopie

photo SAVE - FUNDP

a) Réseaux en transmission :

Fentes identiques caractérisées par :

– « Pas du réseau » en mm : a

– « Nb de traits/mm » : n

Relation entre n et a :

1. Réseaux1.1. Description

• Quel est le nombre de fentes à considérer : celui limité par la dimension du réseau ? Autre chose ?

Exemple TP gonio : 600 traits/mm, un faisceau de 2 cm de diamètre sur une diapo. Calculer le nombre de fentes éclairées.

b) Réseaux en réflexion :

Motifs réfléchissants

Egalement caractérisées par a et n

Exemple de réseaux en réflexion : CD !

a ~ 1,6 µm pour un CD de 700Mo

Description (suite)Réseau de Blaze

• Dans la suite on étudiera les réseaux en transmission, résultats très voisins en réflexion

1.2. Interférences à N ondes

H prépa, Optique ondulatoire, Hachette

Interférences à N ondes : cas des réseaux

• N >> 1 => On observe uniquement

les maxima principaux

• Différence entre ces courbes et la réalité ?

=> en réalité, tous les maxima n’ont pas la même intensité

• Approximation ici : pas d’effet de diffraction.

• Est-ce valable ?

• Propriété principale des réseaux exploitée : positions des max => pour cela inutile de considérer la diffraction

1.3. Loi fondamentale des réseaux

• Recherche de la position des Max d’intensité

=> résulte de l’interférence entre les différentes fentes

- Chaque fente se comporte comme une source secondaire

- Toutes les fentes sont cohérentes => interfèrent

- Pour avoir un max d’intensité, les ondes émises par les fentes doivent être en phase => Condition sur le déphasage entre 2 fentes successives :

• Calcul de en fonction de l’angle d’incidence i , de l’angle

d’observation et du pas du réseau a :

sin sin ia

2 avec m m Z

Loi fondamentale des réseaux (suite)

• D’où la direction m du m-ième maximum :

sin sin avec m i m ma

• m est appelé « l’ordre » de diffraction

• Exemple : observation en lumière blanche :

– Combien voit-on d’ordres ?

– Où est l’ordre zéro ?

– Des interférences en lumières blanche ?

– Où sont localisées les interférences ?

Source de lumière blanche TP

2. Une applications des réseaux : les spectromètres

• Schéma de principe d’un spectro à réseaux :

Petit spectromètre USB, fibré

gamme : 550-850nm

• Exemple d’utilisation : Surveillance de la qualité de l’air

BILAN du Chapitre 4 : Interférences à ondes multiples

(Réseaux)

Caractéristiques d’un réseau (pas et nombre de traits/mm)

Ordre de diffraction d’un réseau

Savoir faire :

Savoir calculer la condition d’interférences constructives pour un réseau

Savoir calculer l’angle de diffraction des ordres d’un réseau

Chapitre 5 : Polarisation

• Quels exemples dans la vie quotidienne ?

virusphoto.com

Vision 3D« Le système passif utilise des lunettes polarisées.Le verre droit est polarisé dans un sens pendant quele verre gauche est polarisé dans l’autre sens.L’image affichée sur l’écran est en fait constitué dedeux images.

Une ligne sur deux est donc destinée à un œilpendant que l’autre ligne sur deux est destinée àl’autre œil. Pour chaque ligne de l’écran, la lumièreémise est polarisée de manière inverse à la ligneprécédente. Ainsi, les lunettes ne laissent passer surchaque œil qu’une ligne sur deux. Dans le systèmepassif, chaque image affichée à l'écran est doncconstituée à la fois de l’image destinée à l’oeil droitet de l’image destinée à l’oeil gauche »

www.lesnumeriques.com

Principe de la stéréoscopie• Que comprenez vous ?

• Qu’est ce que vous ne comprenez pas ?

1. Polarisation 1.1 Définition. E(r,t) est un vecteur…

• Polarisation est liée à l’orientation de E(r,t) :

définie par les évolutions temporelles du champ électrique dans un plan transverse donné.

• Rappel : courbe dans le plan transverse car E est transverse

• Pour définir l’état de polarisation, il faut étudier la courbe décrite dans le temps par l’extrémité du vecteur E(r,t) en un point fixe de l’axe de propagation.

http://www.f-vandenbrouck.org/polarisation.html

1.2. Les différents états de polarisation

Polar. linéaire Polar. circulaire

Polar. elliptique

Rappel : courbes à z donné…

• Lumière non polarisée (ou polarisée aléatoirement) :

Pas de direction privilégiée (chaque train d’onde possède une polarisation aléatoire dans toutes les directions)

• Lumières polarisées : http://ressources.univ-lemans.fr

Propagation d’une onde polarisée selon l’axe de propagation à t donné

E(z, t0)

yx E(z, t0)

http://www.f-vandenbrouck.org/polarisation.html

http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/

)cos()sin(

)cos()cos(

2. Lumière polarisée linéairement2.1. Champ polarisé linéairement

• On considère une onde se propageant selon l’axe z.

• A partir de l’expression générale d’une onde (cf ch1) écrire les 3 composantes d’une onde polarisée linéairement dans une direction faisant un angle α par rapport à l’axe x ?

• « Polariseur » : filtre qui transforme une onde quelconque en onde polarisée rectilignement selon une direction caractéristique du polariseur, appelée axe du polariseur.

2.2. Production d’une lumière polarisée linéairement : le polariseur

• Rem : aussi appelé « polaroïd » => marque déposée par Polaroid Corporation.

Polariseur par absorption :

Wikipedia.org

Film de polymères qui absorbent la composante E// à la chaîne de polymères

http://ressources.univ-lemans.fr/

Thorlabs

Action d’un polariseur

• Un polariseur P projette le champ selon l’axe ( u ) de P :

Champ transmis (fonction Ein, u ):

• Et si on penche la tête ?

Comment faire des lunettes 3D avec des polariseurs ?

( u) u

2),( 0 kzt

3. Lumière polarisée circulairementChamp polarisé circulairement

• A partir de l’expression générale d’une onde (cf ch1) écrire les 3 composantes d’une onde polarisée circulairement.

Circulaire gauche

Circulaire droite

4. Lumière polarisée elliptiquementChamp polarisé elliptiquement

• A partir de l’expression générale d’une onde (cf ch1) écrire les 3 composantes d’une onde polarisée elliptiquement.

5. Bilan. 1. Savoir écrire et reconnaîtreles différents états de polarisation

• Polarisation elliptique (cas général):

• Polarisation linéaire dans la direction avec l’axe (Ox):

)cos()sin(

)cos()cos(

• Polarisation circulaire :

cste=tan y

cste22 yx EEou

Propagation suivant z

2),( 0 kzt

Gauche Droite

1) En pratique :

5. Bilan. 2. Savoir reconnaitre l’état de polarisation

On dispose d’un polariseur pour analyser la polarisation d’une lumière. Remarque : un polariseur utilisé pour analyser l’état de polarisation de la lumière est appelé « analyseur ».

Qu’observe-t-on sur la lumière transmise selon que la lumière incidente est :

- non polarisée ?

- polarisée linéairement ?

- polarisée circulairement ?

- polarisée elliptiquement ?

2) En théorie : à partir de l’écriture des composantes du champ.

Vision 3D (système passif)

• 2 images avec des polarisations différentes :

Circulaire droite et circulaire gauche

• Système de projection ?

• Composition des lunettes ?

• Propriété de l’écran ?

• Si on tourne la tête ?

6. Réflexion et réfraction 6.1. Effet de la polarisation

• Donc la réflexion dépend de l’état de polarisation

Ecran 3D de cinéma doit conserver la polarisation…

avec ou sans « polariseur » : quelle photo ?

http://www.cambridgeincolour.com

Effet de la polarisation sur le coefficient de réflexion

• Les coefficients de réflexion des optiques dépendent de la polarisation de l’onde incidente :

=> En déduire une justification de la pertinence des lunettes de soleil polarisée

6.2. Définitions

• Coefficients de transmission et de réflexion pour le champ (t et r ) et l’intensité (T et R ) :

• Relations entre ces coefficients à incidence nulle :

212 12 12 12

nR r T t

(Calcul : à partir de la définition de l’intensité)

Définitions : directions // et

• On définit un repère arbitraire : les directions parallèle et perpendiculaire au plan d’incidence (lié au relation de continuité des équations de Maxwell)

Wikipedia.org

6.3. Angle de Brewster

Quelle est la caractéristique de l’angle de Brewster?

Dépend des indices :

Quelles applications de l’angle de Brewster ?

Atténuation, transmission sans pertes, polarisation de la lumière, …

Mesure de B Détermination de l’indice de réfraction du matériau

Effet de la polarisation sur le coefficient de réflexion

http://www.astrosurf.com

• Que doit faire le photographe pour réaliser les clichés suivants ?

http://www.cambridgeincolour.com

BILAN du Chapitre 5 : PolarisationConcepts Théoriques :

Polarisation d’une onde

Polarisation linéaire, circulaire, elliptique

Polariseur

Réflexion à incidence de Brewster

Coefficients de réflexion et de transmission (en intensité et en champ)

Composantes du champs parallèle et perpendiculaire au plan d’incidence

Savoir faire :

Savoir écrire l’expression d’une onde polarisée linéairement, circulairement ou elliptiquement

Savoir reconnaître une onde polarisée linéairement, circulairement ou elliptiquement à partir de son expression mathématique

Etre capable de créer une lumière polarisée linéairement

Etre capable de caractériser expérimentalement la polarisation d’une source lumineuse (cf TP)

Savoir se placer dans les conditions permettant d’observer la réflexion de Brewster et connaître les conséquences sur les composantes des champs réfléchis et réfractés

I. Ventrillard

Pour finir : Etes vous capable de nommer le phénomène optique correspondant à chaque image ?

mesures physiques 2016/2017chamilo1.grenet.fr/ujf/courses/iut1mph2m3202/document/cours_opt... ·...

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hans geiselmann hans.geiselmann@ujf-grenoble

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