Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Optique UE 51 : Physique 1 Laurence BERGOUGNOUX Laurence.Bergougnoux@univ-amu.f

Optique UE 51 : Physique 1 Laurence BERGOUGNOUX Laurence.Bergougnoux@univ-amu.fr http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~bergougnoux/ Optique (1) 1 / 28 Introduction L’optique aujourd’hui Information et Communication Environnement Médical & biomédical Procédés industriels Recherche scientiﬁque SOURCE AFP Optique (1) 2 / 28 Introduction . . . et plus spécialement en Mécanique Énergétique Rayonnement (IR, UV) Thermique Mécanique des Fluides Vision (détecteurs) Optique (1) 3 / 28 Introduction Quelques records liés au développement des lasers →Métrologie : qqs nm sur des km →nouvelle déﬁnition du mètre étalon en 1983 la vitesse de la lumière dans le vide absolu redéﬁnie à 299 792 458 m/s ⇒ révision de la valeur du mètre comme étant la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde →mesure de faibles déplacements : dérive des continents, pilotage de machines outils, détection de rugosité de surface →puissance qq kW (radiateur) mais possibilité de focaliser : (impulsions très brèves) usinage, soudure, fusion nucléaire →T les + élevées ∼106◦C →T les + basses ∼10−6◦C atomes froids (refroidissement par laser) Optique (1) 4 / 28 Introduction 10 h de cours, quelques exos en cours et 1 examen 1 Introduction Historique Généralités Indice de réfraction Optique géométrique 2 Principes 3 Systèmes optiques 4 Sources, Détecteurs et objectifs photographiques 5 Applications Optique (1) 5 / 28 Introduction Historique Un peu d’histoire . . . Optique du grec optikos signiﬁant relatif à la vue - 300 En Grêce, les atomistes proposent le premier concept de la lumière : les objets émettent de ﬁnes particules qui s’élancent à grande vitesse en conservant à l’image des objets - ou simulacres - et viennent frapper les yeux →La lumière se déplace en ligne droite à très grande vitesse en transportant des particules. 1020 Alhazen →le rayon visuel est reçu par l’oeil. 1285 Première utilisation de verres correcteurs en Italie. 1621 Snell et Descartes (1637) →lois de la réﬂexion 1657 Principe de Fermat →le trajet le + court en temps 1670 Newton →décomposition spectrale 1678 Huyghens →concept ondulatoire de la lumière, contrarié par Newton adepte d’une théorie corpusculaire Optique (1) 6 / 28 Introduction Historique . . . plus récemment 1801 Herschel, Ritter →découvertes de l’IR et de l’UV Young →Théorie ondulatoire pour l’étude des phénomènes d’interférence, 1818 Fresnel →Synthèse des idées de Huygens et d’Young pour expliquer la diﬀraction 1839 Becquerel →1ere observation d’un eﬀet photoélectrique 1865 Maxwell →Théorie électromagnétique des ondes lumineuses 1879 Edison →Lampe à incandescence 1900 Planck →Quanta de lumière 1905 Einstein →Photon 1960 Maiman →Laser 1980 Communication par ﬁbres optiques (Bells Laboratories) Optique (1) 7 / 28 Introduction Généralités Dualité ondes-particules Depuis 3 siècles 1/2 (Newton et Huygens) →la dualité ondes-particules a fait couler beaucoup d’encre Explication de l’ensemble des propriétés de la lumière : →sa nature est à la fois ondulatoire et corpusculaire. Ces deux aspects ont pu être conciliés par de Broglie : une onde est associée à toute particule en mouvement (mécanique ondulatoire). Optique (1) 8 / 28 Introduction Généralités Caractère ondulatoire de la lumière Maxwell : La lumière est une onde électromagnétique →association d’un champ électrique ⃗ E(⃗ r, t) et d’un champ magnétique ⃗ B(⃗ r, t) →perpendiculaires entre eux →vibrent en phase avec la même fréquence et se déplacent à la même vitesse →l’onde lumineuse est vectorielle Propagation dans le vide : E B k Optique (1) 9 / 28 Introduction Généralités Caractère ondulatoire de la lumière Une onde est déﬁnie par deux quantités : fréquence ν = ω/2π (unité : Hz=s−1) longueur d’onde λ = 2π/k = c/ν (unité : m) Pour une onde EM dans le vide : ω = ck Optique (1) 10 / 28 Introduction Généralités Vitesse de la lumière Dans le vide, les ondes EM se propagent à vitesse constante c = 299 792 458 m.s−1 Pour simpliﬁer : c = 3 × 108 m.s−1 (erreur = +0,07 %) Optique (1) 11 / 28 Introduction Généralités Spectre électromagnétique 1 km 1 m 1 mm 1 µm 1 nm 1 pm 1 fm 300 k 300 M 300 G 3x1014 3x1017 3x1020 3x1023 radio X γ UV IR µ VISIBLE λ ν (Hz) Optique (1) 12 / 28 Introduction Généralités Décomposition de la lumière blanche Sir Isaac Newton (1643-1727) Optique (1) 13 / 28 Introduction Généralités Décomposition de la lumière blanche Expérience de Newton : Optique (1) 14 / 28 Introduction Généralités Domaine visible λ (nm) < 400 500 590 630 > 750 couleur ultraviolet bleu jaune rouge infrarouge Optique (1) 15 / 28 Introduction Généralités Caractère corpusculaire de la lumière Propagation des ondes →phénomène de transport d’énergie Pour expliquer l’émission de lumière par les atomes →photons qui transportent un quantum d’énergie : ε = hν avec une quantité de mouvement p = hν/c avec h cste de Planck (h=6, 626.10−34J.s) ν fréquence du rayonnement . Optique (1) 16 / 28 Introduction Généralités Ondes ou particules ? Dans le vide, un rayonnement λ = 10 mm ν = c/λ = 3 1010Hz ε ≈2 10−23J << kT avec k = 1.38 10−23J/K, à 300◦K , kT ∼4 10−21J Photons non distinguables / ceux du rayonnement thermique ambiant : ⇒caractère corpusculaire passe totalement inaperçu ! Longueur d’onde est assez grande : ⇒caractère ondulatoire facilement mis en évidence (par interférence ou diﬀraction). Optique (1) 17 / 28 Introduction Généralités Ondes ou particules ? Dans le vide, un rayonnement λ = 10 nm ν = c/λ = 3 1016Hz ε ≈2 10−16J >> kT Photons très distinguables / ceux du rayonnement thermique ambiant : ⇒caractère corpusculaire facile à mettre en évidence (eﬀet photoélectrique) Longueur d’onde très petite : ⇒caractère ondulatoire passe totalement inaperçu. Le visible (0.4-0.75 µm) c’est la charnière entre ces deux domaines Optique (1) 18 / 28 Introduction Indice de réfraction Indice de réfraction : origine physique A l’échelle atomique, tous les milieux sont hétérogènes. Dans les liquides ou solides, la distance interatomique est ≈qq Å. Questions : →Quelle est l’interaction des atomes (constituants de la matière) avec une onde EM ? →Comment la lumière traverse les milieux ? →Comment utiliser ces propriétés pour faire des instruments d’optique ? Optique (1) 19 / 28 Introduction Indice de réfraction Interaction onde/matière Les électrons des atomes sous l’inﬂuence de ⃗ E et ⃗ B vibrent et réemettent des ondes EM. e - →déphasage, absorption d’énergie Distances interatomiques << λ →milieu optiquement dense →l’onde se propage en ligne droite →vitesse de propagation v diﬀérente de c. Optique (1) 20 / 28 Introduction Indice de réfraction Indice de réfraction : déﬁnition de n n(λ, T, P) = c v(λ, T, P) L’indice de réfraction est lié à la permittivité électrique relative du milieu : n = √ϵr vide 1 air 1,0003≈1 eau 1,33 verre 1,5 -1,7 diamant 2,43 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 nverre nquartz neau ncorindon λ (µm) Loi de Cauchy n(λ) = A + B/λ2 Optique (1) 21 / 28 Introduction Indice de réfraction Ombroscopie Les variations d’indice d’un milieu induisent des variations d’orientation : z Ecran n(z)=n -α.z 0 I(z)=cste I(z)=cste Optique (1) 22 / 28 Introduction Indice de réfraction Ombroscopie Gradient d’indice non constant : z Ecran n(z)=f(z) et I(z)=f(z) I(z)=cste dn dz 0 Optique (1) 23 / 28 Introduction Indice de réfraction Ombroscopie Interaction bulle/onde de choc (IUSTI, Houas, Jourdan) Optique (1) 24 / 28 Introduction Indice de réfraction Ombroscopie Application à un panache thermique (TP) : Optique (1) 25 / 28 Introduction Optique géométrique Optique géométrique λ ≪D diamètre d’ouverture des instruments λ ≫d distances interatomiques →diﬀraction et interférences ne jouent pas un rôle prépondérant dans la propagation. →10nm < λ < 10mm l’approximation de l’optique géométrique néglige les phénomènes de diﬀraction. l’optique géométrique ne permet pas de prédire les intensités des rayons réﬂéchis et transmis (utilisation de lois/principes) Optique (1) 26 / 28 Introduction Optique géométrique Contexte : milieu transparent, homogène, isotrope Un milieu est dit : transparent s’il laisse passer la lumière par opposition à un milieu opaque homogène si ses caractéristiques optiques sont indépendantes de l’espace isotrope si ses caractéristiques optiques sont indépendantes de la direction selon laquelle se propage le rayon lumineux. Optique (1) 27 / 28 Pour en savoir plus Pour en savoir plus . . . Livres à la bibliothèque ”Optique géométrique. Imagerie et instruments”, B. Balland, (Presses polytechniques et universitairex romandes, Lausanne, 2007). ”OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE ET ONDULATOIRE, avec exercices et problèmes résolus”, J-P. Perez, (4eme éd. Masson, Paris, 1994). ”Rayonnements optiques. Radiométrie-Photométrie”, F. Desvignes, (Masson, Paris, 1991). ”Comprendre et appliquer l’optique”, M. Gabriel, C. Ernst, J. Grange, (Masson, Paris, 1986). cours sur le web : http://www.optique-ingenieur.org/ http://physique-eea.ujf-grenoble.fr/intra/Organisation/CESIRE/OPT/ DocsOptique/TextesTP/L2/L2-OptGeom-Cours-OJ.pdf exercices sur le web : http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/claude_saintblanquet/synophys/ 353exopg/353exopg.htm http: //www.tsisoa.com/spip/IMG/pdf/zzz_suppexos_og1_og2_optique_geometrique.pdf http://sosryko.fr/atelier/Phy.Optique/Opt-Exos_2009-2010.pdf Optique (1) 28 / 28 Optique Géométrique 2. Principes & Lois Laurence BERGOUGNOUX http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~bergougnoux/ Optique (2) 1 / 33 Principes 1 Introduction 2 Principes et lois de l’optique géométrique Introduction Propagation rectiligne Lois de Snell-Descartes Principe de Fermat Exercices 3 Systèmes optiques 4 Sources, objectifs photographiques et détecteurs 5 Applications Optique (2) 2 / 33 Principes Introduction Introduction L’optique géométrique repose sur le concept de rayon lumineux. Son principal intérêt uploads/Management/ cours-optique-pdf.pdf