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Optique Optique Année Universitaire 2012/2013 Dr Hind Mestouri ENSA de Safi Opt

Optique Optique Année Universitaire 2012/2013 Dr Hind Mestouri ENSA de Safi Optique Géométrique Optique Géométrique Optique Géométrique Optique Géométrique H. Mestouri ENSA de Safi 2 L’optique décrit l’étude des phénomènes lumineux. 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 3 L’optique géométrique s’intéresse aux propriétés de propagation de la lumière. Historique de l’optique 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 4 La lumière, qu’est ce que c’est ? Elle est caractérisée par la dualité onde/corpuscule. C’est une onde électromagnétique mise en évidence par les expériences de diffraction. 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 5 les expériences de diffraction. Elle présente aussi une nature corpusculaire mise en évidence par les expériences sur l’effet photoélectrique et les photons (prix Nobel de physique Einstein). Elle transporte une énergie quantifiable (photons). 0 cos 2 s s T t x λ π     = −         Aspect ondulatoire : La lumière peut être représentée par une fonction d’onde en un point M et à l’instant t de la forme: 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 6 T λ     T est la période de l’onde et λ sa longueur d’onde. T est une caractéristique intrinsèque de l’onde λ dépend du milieu dans lequel l’onde se propage n n ou encore v v n n T f λ λ = = -1 avec , ou est la pulsation en rad.s , 2 2 f T π ω π ω = = La période temporelle et la longueur d’onde sont reliées : 1 – Généralités sur la lumière Caractéristiques des ondes périodiques : H. Mestouri ENSA de Safi 7 - n 1 est la fréquence en Hz ou s , la période en s v , et est la vitess T f T e de propagation de l'onde dans le milieu d'indice n. s m c / 10 . 3 v 8 = = 1 – Généralités sur la lumière Dans le vide, la vitesse est : Dans un milieu matériel, la vitesse est : n c / v = Fréquence ν (ou f ) = 1/T (Hertz, Hz), Vitesse de propagation v ou c (célérité) en m.s-1 Longueur d'onde en m. T v = λ H. Mestouri ENSA de Safi 8 Dans un milieu matériel, la vitesse est : où n est l'indice de réfraction du milieu (remarque : n≥1) n c / v = n n T c T 0 v λ λ = = = où λ0 est la longueur d'onde dans le vide Indices de quelques milieux : 1 – Généralités sur la lumière Dispersion et absorption Dans un milieu matériel, l'indice n dépend de la longueur d'onde 2 λ B A n + = A et B sont des constantes Ceci explique les phénomènes de dispersion de la lumière par un prisme (spectroscopes) ou par une goutte d'eau (arc Relation de Cauchy H. Mestouri ENSA de Safi 9 par un prisme (spectroscopes) ou par une goutte d'eau (arc en ciel). Lorsqu'une onde lumineuse se propage dans un milieu matériel, son intensité décroît souvent très rapidement (sauf dans le cas de milieux transparents). C'est le phénomène d'absorption La lumière « visible » correspond à des ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 400 nm et 780 nm. 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 10 Figure: Spectre des ondes électromagnétiques Visible → 400 nm à 700 nm Violet : 400 à 450 nm Bleu : 450 à 520 nm Vert : 520 à 560 nm Jaune : 560 à 600 nm H. Mestouri ENSA de Safi 11 Jaune : 560 à 600 nm Orange : 600 à 625 nm Rouge : 625 à 700 nm Les sources de lumière: Naturelles: Le Soleil: l’ozone absorbe le rayonnement UV (<300nm). La vapeur d’eau dans l’atmosphère absorbe une partie du rayonnement IR. 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 12 absorbe une partie du rayonnement IR. Une partie importante de la lumière est diffusée par les molécules d’air d’où la couleur bleu du ciel dans la journée et jaune et rouge le matin et le soir. Puissance : 1kW/m² Artificielles: Les sources incandescentes: principe du rayonnement du corps noir. L’élévation de température de certains corps génèrent de la lumière. Les lampes à filaments (filament de tungstène dans un gaz rare (ampoule standard) ou un gaz de la famille des halogènes (les halogènes)). 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 13 de la famille des halogènes (les halogènes)). Les tubes à décharges: gaz sous pression subissant une décharge (les néons) Les Lasers ( light amplification by stimulated emission of radiation) : excitation cohérente d’un milieu (gaz, solide, liquide) Excepté les lasers, toutes ces sources sont poly- chromatiques. Les lasers sont monochromatiques. On appelle lumière monochromatique une lumière n’ayant qu’une seule couleur c’est-à-dire composée d’une seule onde de longueur d’onde définie. 1 – Généralités sur la lumière H. Mestouri ENSA de Safi 14 d’une seule onde de longueur d’onde définie. Une lumière polychromatique est la somme d’onde de différentes longueur d’onde. La lumière blanche est une lumière polychromatique contenant toutes les longueurs d’onde du visible. Définitions: Un milieu milieu est dit homogène si il a la même composition en tous ses points. 2 – Notions de base de l’optique géométrique Principes de l’optique géométrique H. Mestouri ENSA de Safi 15 Un milieu milieu est dit isotrope si ses propriétés sont les mêmes dans toutes les directions. Principe : Dans un milieu homogène et isotrope la lumière se propage en ligne droite. Principes de l’optique géométrique Principe. 1. (Propagation rectiligne de la lumière) Dans un milieu homogène, transparent et isotrope, les rayons lumineux sont des lignes droites. Principe. 2. (Retour inverse de la lumière) 2 – Notions de base de l’optique géométrique H. Mestouri ENSA de Safi 16 La trajectoire suivie par la lumière ne dépend pas du sens de parcours Principe. 3. (Indépendance des rayons lumineux) Les rayons lumineux issus d’une même source ou de sources distinctes se propagent indépendamment les uns des autres (pas d’interaction entre eux). 2 – Notions de base de l’optique géométrique Validité de l’optique géométrique L'optique géométrique est une théorie qui n'est valable qu'en première approximation lorsque les dimensions des systèmes optiques sont grandes par rapport à la longueur d'onde des rayonnements considérés. Dans le visible λ ≈0,5 µm << dimensions des systèmes optiques. H. Mestouri ENSA de Safi 17 dimensions des systèmes optiques. Les phénomènes de réflexion, réfraction et dispersion entrent dans le cadre de cette théorie et pourront être décrits à l'aide de paramètres géométriques. A la surface de séparation de deux milieux, les rayons lumineux obéissent aux lois de Snell-Descartes. Vocabulaire et définition La trajectoire de la lumière constitue un rayon lumineux. Un ensemble peu étendu de rayon constitue un pinceau lumineux. Un ensemble plus étendu de rayon constitue un faisceau 2 – Notions de base de l’optique géométrique H. Mestouri ENSA de Safi 18 Un ensemble plus étendu de rayon constitue un faisceau lumineux. (NB: cas réel, pas de rayon isolé) Faisceau convergent Faisceau divergent Faisceau parallèle Miroir : surface totalement réfléchissante. Dioptre : surface séparant deux milieux d’indice différents Vocabulaire et définitions 2 – Notions de base de l’optique géométrique Rayons incident - réfléchi et réfracté (voir figure) Normale au miroir ou au dioptre : NN’ H. Mestouri ENSA de Safi 19 Normale au miroir ou au dioptre : NN’ Plan d’incidence : plan formé par l’incident et la normale au dioptre Point d’incidence : point de contact entre l’incident et le dioptre Angle d’incidence : angle entre la normale et le rayon incident. Angle de réflexion : angle entre la normale et le rayon réfléchi. Angle de réfraction : angle entre la normale et le rayon réfracté Chemin optique Un rayon lumineux parcoure le segment AB d’un milieu homogène et isotrope d’indice n. On note AB la distance entre A et B. On appelle chemin optique entre A et B la quantité : LAB =(AB)= n.AB Vide : n=1, LAB = AB Milieux non homogène : chemin optique élémentaire, 2 – Notions de base de l’optique géométrique Principe de FERMAT : Principe de FERMAT : Principe de FERMAT : Principe de FERMAT : H. Mestouri ENSA de Safi 20 Milieux non homogène : chemin optique élémentaire, dL = n(M)dAB Le chemin optique est le chemin dont le temps de parcours est le plus court. Principe de retour inverse de la lumière : Lorsque l'on inverse le sens de propagation de la lumière, un rayon lumineux suit le même chemin. Réflexion Réflexion Réflexion Réflexion Brusque changement de direction de la lumière au niveau du dioptre sans le traverser. Loi de la réflexion i = i’ 2 – Notions de base de l’optique géométrique H. Mestouri ENSA de uploads/Geographie/ optique-geo.pdf