IUFM - Bobigny le 31 janvier 2001

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1 IUFM - Bobigny le 31 janvier 2001
LA LUMIERE Christian Chardonnet - Laboratoire de Physique des Lasers UMR 7538 C.N.R.S.-Université Paris 13 99, Avenue J.B. Clément VILLETANEUSE IUFM - Bobigny le 31 janvier 2001

2 La lumière : quelques propriétés
sa propagation : vitesse, direction réflexion réfraction dispersion diffusion absorption diffraction une onde électromagnétique une particule : le photon le principe du laser quelques applications

3 Propagation de la lumière
La lumière, les rayons lumineux se propagent en ligne droite dans le vide. La lumière n’a pas besoin de support matériel pour se propager: l’« éther » n’existe pas ! La lumière se propage dans le vide à la vitesse de la lumière : c= m/s Durée de propagation Terre-Lune : 1,2 s Terre-Soleil : 8 mn Rien ne peut aller plus vite que la lumière (dans le vide).

4 Propagation de la lumière dans la matière
La lumière se propage dans les milieux transparents avec une vitesse plus faible que c : elle se déplace à n est l’indice du milieu. indice du vide : 1

5 Propriété de relativité restreinte
v1=100 km/h v2=100 km/h Vitesse relative : v=v1+v2=200 km/h v1=100 km/h Vitesse de la lumière vue par le chauffeur : c-v1, c+v1 ? Non, la vitesse de la lumière est toujours c!

6 Réflexion de la lumière
Réflexion sur une surface métallique bien polie (d ’aspect brillant) ai ar L ’angle de réflexion, ar est égal à l ’angle d’incidence, ai.

7 Réfraction de la lumière
n1 < n2 n2 n1 i1 r1 i2 r1=i n1 sin(i1)=n2 sin(i2)

8 La réflexion totale n1 < n2 n1 n2

9 Dispersion de la lumière
L ’indice du milieu varie avec la couleur : c’est un milieu dispersif. Si la lumière est composée de plusieurs couleurs, son passage de l’air dans ce milieu va provoquer la décomposition de cette lumière. L’ensemble des couleurs de cette lumière forme son spectre.

10 La diffusion de la lumière
? La diffusion est provoquée par la rigosité de la surface… mais aussi par les poussières dans l’air, par le brouillard, etc... Mais aussi, la lumière peut avoir diffusé dans le matériau avant de ressortir dans n’importe quelle direction.

11 L’absorption de la lumière
En général, tous les milieux absorbent la lumière de façon plus ou moins importante suivant la couleur. Cette absorption provoque un échauffement du milieu ou du matériau. La lumière réfléchie est aussi affaiblie. Pratiquement, tous les milieux diffusants sont absorbants

12 Absorption et diffusion de la lumière : la couleur des objets
Un objet absorbant toutes les couleurs est noir. Un objet absorbant très peu les couleurs est blanc. Le rouge et le jaune sont diffusés alors que le vert et le bleu sont absorbés l ’objet apparaîtra orange.

13 Les sources de lumière La couleur d’un objet n’est pas intrinsèque :
S’il n’est pas éclairé, il paraît noir. Si un objet orange est éclairé en lumière rouge et bleue, il paraîtra rouge, etc... La couleur d’un objet n’est en général que la lumière qu’il réfléchit ou qu’il diffuse. Cette lumière vient d’une source lumineuse dite primaire. Exemples : le Soleil, l’ampoule Il est lui-même une source secondaire de lumière. Exemple : la Lune. Mais tous les objets sont aussi des sources primaires de lumière. Le rayonnement émis dépend principalement de leur température. Les corps très chauds produisent et émettent de la lumière visible. Exemple : le Soleil, un filament incandescent, les flammes,… Les corps plus froids émettent un rayonnement infrarouge.

14 La lumière : une onde électromagnétique
E(t) E, amplitude du champ électrique de l’onde T=1/n T, période de l’onde (en s, ms, µs, ns, ps,…) n, fréquence de l’onde (en Hz, kHz, MHz, GHz, THz,…) l x=ct l=c/n, longueur d’onde (en km, m, mm, µm, nm,…) E B k B, champ magnétique de l ’onde, évolue comme E k, vecteur d’onde indique le sens de propagation de la lumière.

15 6000K Soleil 300K France Info Corps humain Température 1MHz 1GHz 1THz 1000THz Fréquence 30cm 3mm 30µm 3µm 0.3µm Longueur d ’onde Ondes centimétriques millimétriques Infrarouge visible UV X gamma

16 Le rayonnement du soleil
I.R. U.V. V.U.V. fréquence (THz) 500 1000 1500 2000 2500 longueur d’onde 800 400 125 (nm)

17 Le rayonnement du corps humain
Infrarouge (THz) 20 40 60 80 100 10000 5000 (nm)

18 Les propriétés ondulatoires de la lumière
Les interférences lumineuses La diffraction Beaucoup plus faciles à observer avec une source très monochromatique (exemple un laser). Quand une surface se comporte-t-elle comme un miroir ? Si les irrégularités de surface sont beaucoup plus petites que la longueur d’onde de la lumière incidente. (longueur d ’onde visible : entre 0.4 et 0.8 µm)

19 La nature corpusculaire de la lumière : le photon
L’onde électromagnétique est une représentation assez juste de la lumière. Mais si on atténue le champ électromagnétique, peut-on le faire indéfiniment ? Réponse : non. Pour une onde de fréquence donnée, n, il existe une quantité minimale : on l’appelle le photon. Il possède beaucoup de propriétés d’une particule : une énergie : hn (h, constante de Planck) une impulsion : hn/c mais il n’a pas de masse et se déplace à la vitesse de la lumière.

20 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation
LE LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation lumière «dirigée» : faisceau laser lumière monochromatique : fréquence laser, longueur d’onde laser

21 Emission spontanée d’un photon par un atome
L’électron tourne autour du noyau sur des orbites quantifiées. En passant sur une orbite plus profonde, il perd de l’énergie. Cette énergie est libérée sous la forme d’un photon. E = hn

22 E = hn Absorption d’un photon par un atome
L’électron peut aussi passer sur des orbites externes. Pour cela, il a besoin d’énergie. Cette énergie pourra être fournie par un photon à condition qu’il possède la bonne fréquence E = hn

23 Emission stimulée d’un photon par un atome
En présence d’un rayonnement lumineux à la «bonne» fréquence, l’électron sur une orbite externe, va émettre un photon «en phase» . E = hn

24 L’atténuation de la lumière par une assemblée d’atomes

25 L’amplification de la lumière par une assemblée d’atomes excités

26 Mais... en moyenne, il y aura
autant d’absorption que d’émission de lumière

27 1. 2. 4. 3. Pompage d’un niveau bas vers un niveau excité
Emission stimulée 2. 4. Recyclage de la lumière miroir miroir semi-réfléchissant Emission spontanée très rapide d’un photon «différent» 3.

28 Le rayonnement du corps humain
Infrarouge fréquence 20 40 60 80 100 (THz) longueur d’onde 10000 5000 (nm) Zoom : x1000 Finesse en longueur d’onde du rayonnement laser : x1000 x1000 x1000 x100

29 Spectre d ’émission d’un laser à CO2 stabilisé
300 350 400 450 Largeur de raie laser de 6 Hz pour une fréquence laser de 30 THz :

30 10fs t=1ns Un laser femtoseconde émet des impulsions lasers très courtes (10fs=10millionième de milliardième de seconde) à une cadence de une impulsion toutes les ns (1ns=1milliardième de seconde)

31 d I(f) frép. f fn = nfrép. + d
Le spectre de lumière correspondant aux impulsions lasers est un peigne de fréquences parfaitement équidistantes (vérifié à près) d I(f) frép. f fn = nfrép. + d Ce peigne de fréquences constitue une règle graduée extrêmement précise pour mesurer des fréquences lumineuses et les comparer. Comparaison de l ’horloge atomique (référence de fréquence à 9,192 GHz) avec des fréquences infrarouge, visible, ultraviolette. Test de variation des constantes fondamentales.