Optique et Laser
De la lumière aux lasers : comprendre et maîtriser les phénomènes optiques et leurs applications.
Objectifs du Chapitre
I. Optique Géométrique
1.1 Lois de Snell-Descartes
Réfraction : changement de direction à l'interface entre deux milieux d'indices différents.
Réflexion totale : si i > icritique (passage vers un milieu moins réfringent).
1.2 Indices de réfraction
| Milieu | Indice n | Milieu | Indice n |
|---|---|---|---|
| Air | 1,000 | Eau | 1,333 |
| Verre crown | 1,52 | Verre flint | 1,65 |
| Silice (fibre) | 1,458 | Diamant | 2,42 |
1.3 Lentilles et miroirs
Formule de conjugaison
Grandissement
II. Optique Ondulatoire
2.1 Diffraction
La diffraction se produit lorsqu'une onde rencontre un obstacle ou une ouverture de taille comparable à sa longueur d'onde.
θ = demi-angle de diffraction, a = largeur de la fente
Plus la fente est étroite (a petit), plus le faisceau diffracté est large.
2.2 Interférences
Superposition de deux ondes cohérentes : franges d'interférence alternées (constructives/destructives).
Interférence constructive
Maximum d'intensité
Interférence destructive
Intensité nulle
2.3 Fentes d'Young
i = interfrange, D = distance à l'écran, a = écart entre les fentes
Permet de mesurer λ avec précision ou de caractériser la cohérence d'une source.
III. Le Laser
3.1 Principe (LASER)
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1. Inversion de population
Plus d'atomes excités que dans l'état fondamental (pompage optique ou électrique).
2. Émission stimulée
Un photon incident provoque l'émission d'un photon identique (même λ, même direction, même phase).
3. Cavité résonante
Deux miroirs (un totalement, un partiellement réfléchissant) amplifient le processus.
3.2 Propriétés du faisceau laser
Monochromaticité
Une seule longueur d'onde (Δλ très faible). Ex: He-Ne λ = 632,8 nm.
Cohérence
Tous les photons en phase. Longueur de cohérence importante (km pour He-Ne stabilisé).
Directivité
Faisceau très peu divergent. Divergence typique < 1 mrad.
Puissance
De quelques mW (pointeur) à plusieurs kW (découpe industrielle).
3.3 Types de lasers
| Type | λ (nm) | Applications |
|---|---|---|
| He-Ne | 632,8 | Alignement, interférométrie, enseignement |
| Ar⁺ | 488, 514 | Spectroscopie, cytométrie en flux |
| Nd:YAG | 1064 | Chirurgie, découpe, soudure |
| CO₂ | 10600 | Découpe industrielle, chirurgie |
| Diode | 650-1550 | Télécom, lecteurs CD/DVD, pointeurs |
| Excimère | 193-351 | Chirurgie réfractive (LASIK) |
IV. Fibres Optiques
Principe de guidage
La lumière est guidée par réflexion totale interne dans le cœur de la fibre (indice n₁) entouré d'une gaine d'indice n₂ < n₁.
ON = Ouverture Numérique
Types de fibres
Multimode à saut d'indice
Cœur large (50-200 µm), dispersion modale importante. Courtes distances.
Multimode à gradient d'indice
Cœur 50 µm, indice graduel. Dispersion réduite. Réseaux locaux.
Monomode
Cœur très fin (8-10 µm), un seul mode. Télécom longue distance.
Atténuation
Fenêtres de transmission : 850 nm (0,3 dB/km), 1310 nm (0,35 dB/km), 1550 nm (0,2 dB/km minimum).
V. Sécurité Laser
⚠️ Classes de danger (norme IEC 60825)
Sans danger
Visible, réflexe palpébral
Danger pour l'œil
Danger œil + peau
🥽 Protections obligatoires
- • Lunettes de protection adaptées à λ du laser
- • Enceinte fermée ou écrans protecteurs
- • Signalétique et verrouillage des accès
- • Formation du personnel
