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LA LUMIERE Christian Chardonnet - Laboratoire de Physique des Lasers UMR 7538 C.N.R.S.-Université Paris 13 99, Avenue J.B.

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1 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 La lumière, les rayons lumineux se propagent en ligne droite dans le vide. 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). Propagation de la lumière La lumière na pas besoin de support matériel pour se propager: l« éther » nexiste pas !

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 lindice du milieu. indice du vide : 1

5 Propriété de relativité restreinte v 1 =100 km/h v 2 =100 km/h Vitesse relative : v=v 1 +v 2 =200 km/h v 1 =100 km/h Vitesse de la lumière vue par le chauffeur : c-v 1, c+v 1 ? Non, la vitesse de la lumière est toujours c!

6 Réflexion de la lumière Réflexion sur une surface métallique bien polie (d aspect brillant) i r L angle de réflexion, r est égal à l angle dincidence, i.

7 Réfraction de la lumière n1n1 n2n2 n 1 < n 2 r 1 =i 1 n 1 sin(i 1 )=n 2 sin(i 2 ) i1i1 r1r1 i2i2

8 La réflexion totale n 1 < n 2 n1n1 n2n2

9 Dispersion de la lumière L indice du milieu varie avec la couleur : cest un milieu dispersif. Si la lumière est composée de plusieurs couleurs, son passage de lair dans ce milieu va provoquer la décomposition de cette lumière. Lensemble 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 lair, par le brouillard, etc... Mais aussi, la lumière peut avoir diffusé dans le matériau avant de ressortir dans nimporte quelle direction.

11 Labsorption 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 Le rouge et le jaune sont diffusés alors que le vert et le bleu sont absorbés l objet apparaîtra orange. Un objet absorbant toutes les couleurs est noir. Un objet absorbant très peu les couleurs est blanc.

13 Les sources de lumière La couleur dun objet nest pas intrinsèque : Sil nest pas éclairé, il paraît noir. Si un objet orange est éclairé en lumière rouge et bleue, il paraîtra rouge, etc... La couleur dun objet nest en général que la lumière quil réfléchit ou quil diffuse. Cette lumière vient dune source lumineuse dite primaire. Exemples : le Soleil, lampoule 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 t E(t) E, amplitude du champ électrique de londe La lumière : une onde électromagnétique B, champ magnétique de l onde, évolue comme E k, vecteur donde indique le sens de propagation de la lumière. E B k T=1/ T, période de londe (en s, ms, µs, ns, ps,…), fréquence de londe (en Hz, kHz, MHz, GHz, THz,…) x=ct c/, longueur donde (en km, m, mm, µm, nm,…)

15 1MHz 1GHz1THz 30µm 3µm 0.3µm 3mm30cm France Info Corps humain Soleil 1000THz Fréquence Longueur d onde Température 300K 6000K Ondes centimétriques millimétriques Infrarouge visible UV X gamma

16 (THz) I.R.U.V.V.U.V (nm) fréquence longueur donde Le rayonnement du soleil

17 Le rayonnement du corps humain (THz) Infrarouge (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 donde de la lumière incidente. (longueur d onde visible : entre 0.4 et 0.8 µm)

19 La nature corpusculaire de la lumière : le photon Londe 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,, il existe une quantité minimale : on lappelle le photon. Il possède beaucoup de propriétés dune particule : une énergie : h (h, constante de Planck) une impulsion : h /c mais il na pas de masse et se déplace à la vitesse de la lumière.

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

21 Lélectron tourne autour du noyau sur des orbites quantifiées. E = h Emission spontanée dun photon par un atome En passant sur une orbite plus profonde, il perd de lénergie. Cette énergie est libérée sous la forme dun photon.

22 Lélectron peut aussi passer sur des orbites externes. Pour cela, il a besoin dénergie. Cette énergie pourra être fournie par un photon à condition quil possède la bonne fréquence E = h Absorption dun photon par un atome

23 En présence dun rayonnement lumineux à la «bonne» fréquence, lélectron sur une orbite externe, va émettre un photon «en phase». E = h Emission stimulée dun photon par un atome

24 Latténuation de la lumière par une assemblée datomes

25 Lamplification de la lumière par une assemblée datomes excités

26 Mais... en moyenne, il y aura autant dabsorption que démission de lumière

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

28 Le rayonnement du corps humain (THz) fréquence Infrarouge (nm) longueur donde Finesse en longueur donde du rayonnement laser : Zoom : x1000 x100

29 Largeur de raie laser de 6 Hz pour une fréquence laser de 30 THz : Spectre d émission dun laser à CO 2 stabilisé

30 =1ns 10fs 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 0 f n = nf rép. + I(f)I(f) f f rép. Le spectre de lumière correspondant aux impulsions lasers est un peigne de fréquences parfaitement équidistantes (vérifié à près) 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.


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