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LA LUMIERE
Christian Chardonnet - [email protected] Laboratoire de Physique des Lasers UMR 7538 C.N.R.S.-Université Paris 1399, Avenue J.B. Clément 93430 VILLETANEUSE IUFM - Bobigny le 31 janvier 2001
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
La lumière, les rayons lumineux se propagent en ligne droitedans le vide.
La lumière se propage dans le vide à la vitesse de la lumière :
c= 299792458 m/s
Durée de propagation Terre-Lune : 1,2 sTerre-Soleil : 8 mn
Rien ne peut aller plus vite que la lumière (dans le vide).
Propagation de la lumière
La lumière n’a pas besoin de support matériel pour se propager:l’« éther » n’existe pas !
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
cv n est l’indice du milieu.
Milieu indice
Air 1,0004
Eau 1,33
Verre 1,5 indice du vide : 1
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!
Réflexion de la lumière
Réflexion sur une surface métalliquebien polie (d ’aspect brillant)
i
r
L ’angle de réflexion, r est égal àl ’angle d’incidence, i.
Réfraction de la lumière
n1n2
n1 < n2
r1=i1 n1 sin(i1)=n2 sin(i2)
i1
r1 i2
La réflexion totalen1 < n2
n1 n2
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’airdans ce milieu va provoquer la décomposition de cette lumière.
L’ensemble des couleurs de cette lumière forme son spectre.
La diffusion de la lumière
?La diffusion est provoquée parla rigosité de la surface…mais aussi par les poussières dans l’air,par le brouillard, etc...
Mais aussi, la lumière peut avoirdiffusé dans le matériau avant de ressortir dans n’importe quelle direction.
L’absorption de la lumière
En général, tous les milieux absorbent la lumière de façon plus ou moins importantesuivant 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
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 absorbésl ’objet apparaîtra orange.
Un objet absorbant toutes les couleurs est noir.Un objet absorbant très peu les couleurs est blanc.
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’ampouleIl est lui-même une source secondaire de lumière. Exemple : la Lune.
Mais tous les objets sont aussi des sources primaires de lumière. Le rayonnementémis 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.
t
E(t)
E, amplitude du champ électrique de l’onde
La lumière : une onde électromagnétique
B, champ magnétique de l ’onde, évolue comme Ek, vecteur d’onde indique le sens de propagation de la lumière.
EB
k
T=1/
T, période de l’onde (en s, ms, µs, ns, ps,…), fréquence de l’onde (en Hz, kHz, MHz, GHz, THz,…)
x=ct
c/, longueur d’onde (en km, m, mm, µm, nm,…)
1MHz 1GHz 1THz
30µm 3µm 0.3µm3mm30cm
France Info Corps humain
Soleil
1000THz Fréquence
Longueur d ’onde
Température
300K
6000K
Ondes centimétriques millimétriques Infrarouge visible UV X gamma
500 1000 1500 2000 2500 (THz)
I.R. U.V. V.U.V.
800 400 125 (nm)
fréquence
longueur d’onde
Le rayonnement du soleil
20 40 60 80 100
Le rayonnement du corps humain
(THz)
Infrarouge
10000 5000 (nm)
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)
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, , il existe une quantité minimale : on l’appelle le photon.
Il possède beaucoup de propriétés d’une particule :une énergie : h (h, constante de Planck)une impulsion : h/c
mais il n’a pas de masse et se déplace à la vitesse de la lumière.
LE LASER
Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation
• lumière «dirigée» : faisceau laser• lumière monochromatique : fréquence laser, longueur d’onde laser
L’électron tourne autour du noyau sur des orbites quantifiées.
E = h
Emission spontanée d’un photon par un atome
En passant sur une orbite plus profonde, il perd de l’énergie. Cette énergie est libérée sous la forme d’un photon.
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 = h
Absorption 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 = h
Emission stimulée d’un photon par un atome
L’atténuation de la lumière par une assemblée d’atomes
L’amplification de la lumière par une assemblée d’atomes excités
Mais... en moyenne, il y auraautant d’absorption que d’émission de lumière
Pompage d’un niveau basvers un niveau excité
1. Emission stimulée2.
Emission spontanée très rapided’un photon «différent»3. 4. Recyclage de la lumière
miroir miroir semi-réfléchissant
20 40 60 80 100
Le rayonnement du corps humain
(THz)fréquence
Infrarouge
10000 5000 (nm)longueur d’onde
Finesse enlongueur d’ondedu rayonnement laser :
Zoom :
x1000
x1000
x1000
x1000
x100
300 350 400 450
Largeur de raie laser de 6 Hz pour une fréquence laser de 30 THz :2.10-13
Spectre d ’émission d’un laser à CO2 stabilisé
=1ns10fs
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)
0 fn = nfrép. +
I(f)
f
frép.
Le spectre de lumière correspondant aux impulsions lasers est un peigne defréquences parfaitement équidistantes (vérifié à 10-17 près)
Ce peigne de fréquences constitue une règle graduée extrêmement précisepour 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.
