Leçon de physique : sources de lumières

Laurie Zujew Christophe Caire 13/11/19

Thème : Sources de lumières (cycle terminal de l’enseignement secondaire) Élément imposé : Le laser, un quasi-sexagénaire en pleine forme. Une mesure du flux est exigée Plan :

Introduction pédagogique

Introduction

I. Généralités sur le LASER a) Fonctionnement du LASER b) Caractéristiques

II. Puissance et intensité transportées par une onde périodique a) Puissance b) Intensité

III. Cas particulier des ondes lumineuses a) Flux lumineux b) Éclairement

IV. Exemple d’application des lasers

Conclusion

Site STL-SPCL : https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/ https://toutestquantique.fr/laser/ http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optigeo/grandphoto.html

Introduction pédagogique :

Niveau : Terminale STL SPCL Prérequis : Modèles ondulatoire et corpusculaire de la lumière Phénomènes d’absorption et d’émiss Objectifs : Compréhension du fonctionnement d’un laser et des principales grandeurs utilisées pour la description d’une onde lumineuse (flux, intensité, éclairement) Difficultés : Niveaux d’énergie d’un atome Nombreuses formules

Introduction : Notre perception des couleurs s’effectue grâce aux cellules réceptrices présentes dans la rétine, les cônes et les bâtonnets. Ils peuvent être sensibles aux lumières de faible intensité mais nous avons besoin de lumière pour nous éclairer. On appelle source de lumière un corps qui émet de la lumière autour de lui. Les sources de lumières sont principalement utilisées pour nous éclairer (Soleil, lampes à vapeur, DEL, …) mais peuvent aussi avoir d’autres applications, notamment en s’appuyant sur leurs propriétés particulières : c’est le cas du Laser que l’on va étudier aujourd’hui.

I. Généralités sur le LASER

a) Fonctionnement du Laser L’acronyme LASER signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, c’est-à-dire amplification de lumière par rayonnement dû à une émission induite. Le principe d’émission stimulée a été introduit par Eintein dès 1917 et les lasers ont été mis au point en 1960. Le laser est une source de lumière qui s’appuie sur des propriétés physiques différentes d’autres sources classiques (montrer la vidéo https://toutestquantique.fr/laser/ d’explication du fonctionnement d’un laser). Explications pendant la vidéo : On utilise un gaz, un solide ou un liquide comme milieu actif dans un laser.

L’atome dans un état excité va absorber le photon incident, l’électron va redescendre à son état fondamental en libérant deux photons de même fréquence, même direction, même sens de propagation. Ces photons vont à leur tour stimuler d’autres émissions grâce à l’utilisation de miroirs : on parle d’amplification. 1 miroir réfléchissant et 1 miroir semi-réfléchissant (98%)

b) Caractéristiques du laser

INRS, Rayonnements laser : Principe, application, risque et maîtrise du risque d’exposition

L’une des propriétés intéressantes du laser est sa quasi monochromaticité (expérience lumière blanche/prisme et laser/prisme ou avec le spectromètre). Montage : En utilisant une lumière blanche puis un laser

On remarque que la lumière blanche est constituée de toutes les couleurs que l’on retrouve sur le spectre de la lumière visible.

Le laser quant à lui s’approche bien de la monochromaticité. Il est également souvent considéré comme étant directif car peu divergent. On obtient ainsi une concentration spatiale de l’énergie.

Lumière ordinaire

Lumière laser

II. Puissance et intensité transportée par une onde périodique a. Puissance

Une onde transporte de l’énergie et on appelle puissance l’énergie transportée par unité de temps :

P= 𝑬𝜟𝒕

Avec : P : La puissance (W) E : L’énergie transportée (J) Δt : La durée du transport (s) Faire une analyse dimensionnelle pour la formule. Le flux énergétique est le nom particulier que l’on donne à la puissance transportée par une onde lumineuse. Dans le domaine visible, les différentes classes d’un laser sont les suivantes : Classe 1 : jusqu’à 0,39 µW. Classe 2 : de 0,39 µW à 1 mW. Classe 3R : de 1 à 5 mW. Classe 3B : de 5 à 500 mW. Classe 4 : au-delà de 500 mW. Montage : Mesure d’un flux énergétique (puissance) avec le puissance-mètre Valeur obtenue : On trouve P = 0,651 mW Correspond bien à la classe 2 indiquée par le constructeur. Les classes 3 et 4 ne sont pas utilisées à des fins pédagogiques.

b. Intensité On appelle intensité d’une onde la puissance transportée par unité de surface :

I= 𝑷𝑺

Avec : I : L’intensité (W.m-2) S : La surface sur laquelle cette puissance est répartie (m2) P : La puissance transportée/flux (W)

Simulation : http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optigeo/grandphoto.html

Observons l’influence de plusieurs facteurs sur l’intensité. Faire varier l’angle (et donc la surface) : on observe une diminution de l’intensité avec la surface, ce qui correspond bien avec la formule proposée. Si on fait maintenant varier le flux, on voit que l’intensité augmente avec le flux. La divergence d’un faisceau laser est donné par la formule :

Θ = 𝝀𝝅𝒘𝟎

Avec : Θ : La divergence (rad) λ : La longueur d’onde du laser (m) w0 : Rayon de pincement ; « waist » (m)

Cela aura une incidence sur l’intensité puisque si le rayon diverge, la puissance sera répartie sur une plus grande surface et on observera une baisse de l’intensité. Ce phénomène est notamment visible sur de grandes distances.

III. Cas particulier des ondes lumineuses

a. Flux lumineux Le flux lumineux est une grandeur exprimée en lumen (lm) qui tient compte de la sensibilité de l’œil et qui dépend de la longueur d’onde :

φL = φE . Km . ν(λ)

Avec :

φL : Le flux lumineux (lm) φE : Le flux énergétique (W) Km : L’efficacité lumineuse maximale (lm.W-1)

En vision diurne, Km = 683 lm.W-1 (cônes) alors qu’en vision nocturne, Km = 1700 lm.W-1 (bâtonnets). ν(λ) : facteur de visibilité, qui dépend de la longueur d’onde du rayon considéré.

Le facteur de visibilité est une grandeur sans dimension, compris entre 0 et 1, qui traduit la visibilité du rayonnement par l’œil. Maximum nocturne : 510 nm à Bleu-Vert Maximum diurne : 555nm à Jaune mieux perçu par l’œil

b. Éclairement L’éclairement est une grandeur qui modélise notre perception à l’œil nu de la luminosité d’une zone éclairée. Cela correspond à un flux lumineux par unité de surface :

𝑬 = 𝜱𝑳

𝑺

Avec : E : L’éclairement (lux ou lm.m-2) ΦL : Le flux reçu (lm) S : La surface sur laquelle le flux est réparti (m2) Montage : Mesure d’un éclairement Laser Le but de cette expérience est de mesurer l’éclairement d’un laser à l’aide d’un luxmètre afin de remonter au flux lumineux puis au flux énergétique. La mesure de l’éclairement effectuée lors de la présentation donne E = 3800 lux

Le diamètre du luxmètre est de 1,1 cm donc le rayon est égal à r = 5,5.10-3 m. La surface est S = π r2 = 9,5.10-5 m2 Le flux lumineux reçu se calcule donc de la façon suivante :

ΦL = E x S = 3800 x 9,5.10-5 = 0,36 lm On peut maintenant déterminer le flux énergétique à l’aide de toutes les données vues précédemment les valeurs obtenues expérimentalement :

ΦE = 𝚽𝐋𝑲𝒎∗𝝂

= 𝟎,𝟑𝟔𝟔𝟖𝟑∗𝟎,𝟐𝟒𝟎

= 2,2.10-3 W

La valeur trouvée ici ne correspond pas à celle que l’on est supposé obtenir pour un laser de classe 2 (<1mW). Cela se justifie par le fait que le luxmètre n’est pas calibré pour la longueur d’onde du laser mais plutôt pour la lumière blanche, contrairement au puissance-mètre pour lequel on peut effectuer une correction en fonction de la longueur d’onde utilisée.

IV. Exemple d’application des lasers Par exemple pour la chirurgie, on utilise des lasers femtoseconde

Conclusion Les caractéristiques particulières des lasers (monochromaticité, directivité, …) en font des instruments de choix pour des applications diverses (Lecture CD, Chirurgie, Refroidissement des atomes, …). Prix Nobel récent en 2018

Questions : Valeurs de la république : Vous êtes professeur principale de seconde, votre meilleur élève en sciences souhaite s’orienter en technique et changer de lycée, quels éléments lui donnez-vous ? Questions sur la leçon : Qu’avez-vous traité dans le programme de STL-SPCL en rapport avec la leçon ? La totalité des notions en rapport avec le sujet dans le programme de STL-SPCL présenté en introduction a été traité. Dans la vidéo montrée, est-ce que le photon est réellement absorbé ? Lors de l'émission stimulée un photon induit la désexcitation d'un atome du niveau 2 vers le niveau 1. Il s’agit d’une perturbation d’un atome du système commandé par un flux. http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/histoire-laser-Cagnac.xml Est-ce qu’il faut seulement deux miroirs pour que ça fonctionne ? Il faut aussi une cavité d’une longueur d’onde bien définie pour obtenir des photons en phase. Comment définit-on la phase d’un photon ? Est-ce qu’un photon est une onde ? Quel phénomène est utilisé en plus de ceux que l’on vient d’évoquer ? Expliquer son fonctionnement. On utilise aussi le phénomène de pompage optique, qui consiste à réaliser une inversion de population, c’est-à-dire obtenir un peuplement majoritaire d’atomes de haute énergie. Quel est la signification de l’acronyme LASER ? Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation En utilisant un système à 2 miroirs, comment fait-on pour avoir le faisceau laser en sortie ? L’un des miroirs est totalement réfléchissant mais l’autre est un miroir semi-réfléchissant, ce qui permet de récupérer le faisceau laser. Est-ce que le laser femtoseconde fonctionne de cette façon ? Le laser femtoseconde ne fonctionne pas de cette façon mais avec des impulsions.

Quelle propriété du prisme avez-vous utilisé ? Quel autre dispositif a cette propriété dispersive ? On utilise les propriétés dispersives du prisme, le goniomètre a également cette propriété. Que représente Ω dans la simulation présentée ? Ω représente un angle solide et il est exprimé en stéradian.