MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

Propriétés physiques de la lumière Renaud Mathevet 12 juin 2015

Propriétés physiques de la lumière Renaud Mathevet Maître de conférences Université Paul Sabatier

Plan Les ondes La lumière De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

Plan Les ondes La lumière De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

Qu’est-ce qu’une onde? z n=40kHz cos(2pnt) cos(2pn(t-t0))

Retard de propagation t0/T = 2p z/l T t0=0 [T] l=0.85cm T t0=T/2 [T]

Double périodicité z l célérité relation de dispersion: T=25 ms l=0.85cm

Diagramme (z,t) Y t Équation de d’Alembert

Deux types d’ondes k k v // k longitudinale v k transverse

Etats de polarisation (I) direction de vibration direction de propagation v k plan de vibration direction de vibration k v base de polarisations rectilignes

Etats de polarisation (II) = + direction de propagation direction de propagation Cas particuliers: gauche droite base de polarisations circulaires

Plan Les ondes La lumière De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

Les couleurs (1666) Isaac Newton 1642-1726 spectromètre USB source fente lentille écran condenseur prisme à vision directe BPW34 - + spectromètre USB

Interférences (1802) ibleu < irouge a ltyp.=0.65 mm Thomas Young 1773-1829 ibleu < irouge Laser a ltyp.=0.65 mm

Polarisation (1809) E P onde transverse q Etienne Malus 1775-1812 x z lumière naturelle polarisée onde transverse

Diffraction (1815-1818) Augustin Fresnel 1788-1827 S P M Denis Poisson 1781-1840 François Arago 1786–1853 point de Poisson 1818 Laser écran circulaire

Electromagnétisme (1865) onde électromagnétique transverse James Clerck Maxwell 1865-1873 "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155, 459–512 (1865) onde électromagnétique transverse

La lumière Onde électromagnétique transverse l (nm) n (THz) UV IR 400 800 750 375

Plan La lumière De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

Spectre de raies (1885) spectromètre USB lampe H2O RH=10.97 µm-1 Johann Balmer 1825-1898 l (nm) RH=10.97 µm-1

quantification des échanges d’énergie Corps noir (1900) M (l;T ) (W.m-2.m-1) l (nm) Max Planck 1858-1947 quantification des échanges d’énergie

Effet Photoélectrique Ee- lumière e- seuil 1887 e- e- métal Heinrich Hertz 1857-1894 n Albert Einstein 1879-1955 E = hn W 1905 métal e- Ee- = hn-W nseuil=W/h Photon

Quantification de l’énergie E(eV) -13.6 -3.39 -1.51 -0.89 -0.54 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 l (nm)

Modèle de Bohr (1913) quantification du moment cinétique L=|rmv|=n  Niels Bohr 1885-1962 r m v quantification du moment cinétique L=|rmv|=n 

Modèle de Bohr (II) En=E1 /n2 E1 =- me4/22 rn=n2aB aB=2 / me2=53pm v3 En=E1 /n2 E1 =- me4/22 rn=n2aB aB=2 / me2=53pm vn=nv1 v1=e2/ =2200km.s-1=c/137 …

Résonance (I) L nn n (ln/2)=L nn=n (c/2L) =nn1 ln=c/nn n nn (Hz) n spectre discret

Résonance (II) n (ln/2)=L 2L=n ln L interférence constructive

Dualité onde-corpuscule E=hn E/c p particule: énergie-impulsion p=mv n/c 1/l onde: fréquence-longueur d’onde Louis de Broglie (1924) = h lDB=h/p

Atome quantique Ln=n=rnmvn rn=n2aB 2p rn=n ln lDB=h/mv L=n ln l (nm) 2p rn=n ln L=n ln

Emission - absorption E E

Résonance atomique hn12=E2-E1 interférence interférence destructive constructive

découverte de l’Hélium Un formidable outil… Joseph von Fraunhofer (1814) 587,5nm ? 589,0 et 589,6nm Jules Janssen Norman Lockyer Na He 587,5nm découverte de l’Hélium (1848)

Plan Les ondes La lumière est une onde électromagnétique transverse De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

De l’atome à la molécule … w0 E w0 E ws wa w0 z w0 z ws z wa z

… de la molécule au cristal bande de conduction valence E Egap

Spectre de bandes E E gap moyen vert E grand gap bleu faible gap rouge AlGaAs GaN, GaP InGaN faible gap rouge

+ Zn (dopage type p) + irradiation e- + … LED bleue Isamu Akasaki Hiroshi Amano Shuji Nakamura wafer de GaN (1993) + Zn (dopage type p) + irradiation e- + …

LED Blanche E synthèse additive LED RGB Y3Al5O12: Ce LED bleue AlInGaP InGaN synthèse additive fluorescence phosphorescence LED bleue

Plan Les ondes La lumière est une onde électromagnétique transverse Et au delà De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

Théorie quantique du rayonnement Albert Einstein (1917) formule du corps noir M (l;T ) (W.m-2.m-1) l (nm) E absorption E E émission spontanée émission stimulée

Laser Cohérence: monochromaticité directivité Theodore Maiman (1960) énergie (pompage) émission spontanée milieu actif Theodore Maiman (1960) cavité Cohérence: monochromaticité directivité émission stimulée 632.8nm

Laser à diode émission stimulée E milieu actif semi-conducteur I e-