Plan du coursd’optique PC/PC*

Lycée Fénelon Sainte-Marie

Physique

Plan du cours d’optique

2016-2017

OP1 – INTRODUCTION À L’OPTIQUE ONDULATOIRE...1

0 – INTRODUCTION : CE QUE L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE N’EXPLIQUE PAS...2

1 – NOTIONS SUR L’ÉMISSION ET LA PROPAGATION DE LUMIÈRE...3

1.1 – S^{OURCESDELUMIÈRE}...3

1.1.1. Source de lumière blanche : lampe à incandescence...3

1.1.2 Lampe spectrale : lampe à vapeur atomique...3

1.1.3. Le L.A.S.E.R. (Light Amplification by Stimulated emission of Radiation)...3

1.1.4 – Diode électroluminescente (DEL, angl. LED)...4

1.1.5 – Spectre des ondes électromagnétiques...4

1.2 – N^ATUREÉLECTROMAGNÉTIQUEDELALUMIÈRE...5

1.3 – DEL’ONDEAUPHOTON – DURÉEDECOHÉRENCED’UNESOURCE...5

1.3.1 - Notion de train d’onde (ou paquet d’onde)...5

1.3.2 - Spectre en fréquence d’un signal non périodique – Relation fondamentale...6

1.3.2.1 – Notions sur la transformée de Fourier...6

1.3.2.2 – Exemple : Transformée d’un train d’onde sinusoïdal...6

Exercice 1 : Spectre d’un train d’onde sinusoïdal



1.3.2.3 – Relation fondamentale – conséquences...6

1.3.3 – Temps de cohérence – Longueur de cohérence de sources usuelles...6

2 – AMPLITUDE ET INTENSITÉ D’UNE VIBRATION LUMINEUSE – MODÈLE SCALAIRE...7

2.1 – O^{NDESPLANESETONDESSPHÉRIQUES}...7

2.2 – MODÈLESCALAIRED’UNEONDEÉLECTROMAGNÉTIQUE...7

2.3 – INTENSITÉ...8

2.4 – NOTIONDERAYONLUMINEUX...8

2.5 – THÉORÈMEDE MALUS...8

3 – PHASE D’UNE VIBRATION LUMINEUSE – CHEMIN OPTIQUE...9

3.1 – DÉFINITIONDUCHEMINOPTIQUED’UNEVIBRATIONLUMINEUSE



3.2 – APPLICATIONS...9

3.2.1 – Stigmatisme et chemin optique...9

Exercice 2 : Exploitation de surfaces d’ondes



3.2.2 – Retour sur le théorème de Malus...10

Exercice 3 : To be or not to be une surface d’onde



3.3 – CHEMINOPTIQUESUPPLÉMENTAIRE (CHEMINOPTIQUEONDULATOIRE)...10

4 – SUPERPOSITION DE 2 VIBRATIONS LUMINEUSES - INTERFÉRENCES...11

4.1 – V^{IBRATIONRÉSULTANTE}



4.2 – ECLAIREMENTRÉSULTANT – TERMED’INTERFÉRENCE



4.3. – CONDITIONSD’INTERFÉRENCES



Lycée Fénelon Sainte-Marie 1 Physique - PC

PC/PC

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Lycée Fénelon Sainte-Marie 2 Physique - PC

OP3 – INTERFÉRENCES À 2 ONDES PAR DIVISION D’AMPLITUDE – L’INTERFÉROMÈTRE DE

MICHELSON...1

INTRODUCTION...2

1 – DISPOSITIF INTERFÉRENTIEL TYPE : L’INTERFÉROMÈTRE DE MICHELSON...2

1.1 – PRÉSENTATIONDUDISPOSITIF...2

1.2 – LAMESÉPARATRICE – LAMECOMPENSATRICE...3

2 – CONFIGURATION EN LAME D’AIR (I.E. EN LAME À FACES PARALLÈLES)...3

2.1 – DELASOURCEPONCTUELLEÀDISTANCEFINIEÀLASOURCEÉTENDUE...3

2.1.1 – L’interféromètre de Michelson comme dispositif à division du front d’onde – Délocalisation des interférences - Cohérence spatiale...3

2.1.2 – L’interféromètre de Michelson comme dispositif à division d’amplitude – Localisation des interférences - Cohérence spatiale...4

2.2 – DIFFÉRENCEDEMARCHE – FIGURED’INTERFÉRENCES...5

2.2.1 – Interféromètre de Michelson replié équivalent : configuration en « lame d’air »



2.2.2 – Différence de marche – Figure d’interférence...6

2.2.2.1- 1^ère méthode : à l’aide des sources secondaires virtuelles



2.2.2.2 – 2^ème méthode : à l’aide de la lame d’air virtuelle



2.2.3 – Rayons des anneaux – Ordre d’interférence



2.2.4 – Effet du chariotage de M2...6

2.2.4.1 – e  0



2.2.4.2 – e = 0... 6

2.2.5 – Application : spectrométrie interférentielle...7

2.2.5.1 – Mesure de l’écart d’un doublet



2.2.5.2 - Mesure de la largeur d’une raie spectrale



3 – CONFIGURATION EN COIN D’AIR...8

3.1 – D^{ELASOURCEPONCTUELLEÀDISTANCEFINIEÀLASOURCEÉTENDUE}...8

3.1.1 – Construction des rayons – Localisation des franges avec une source ponctuelle...8

3.1.2 – Cas d’une source étendue – Localisation des franges...8

3.2 – DIFFÉRENCEDEMARCHE – FIGURED’INTERFÉRENCES...8

3.2.1 – Interféromètre de Michelson replié équivalent...8

3.2.2 – Différence de marche – Figure d’interférence...9

3.2.2.1 – 1^ère méthode : par analogie avec la lame d’air



3.2.2.2 – 2^ème méthode : par construction géométrique



3.2.3 – Interfrange



Lycée Fénelon Sainte-Marie 3 Physique - PC

OP4 – Interférences à ondes multiples

OP4 – INTERFÉRENCES À ONDES MULTIPLES...1

INTRODUCTION...2

1 – RÉSEAU DE DIFFRACTION...2

1.1 – EXEMPLESDERÉSEAUXDEDIFFRACTION...2

1.1.1 - Réseau unidimensionnel...2

1.1.2 - Réseau bidimensionnel : grillage, voilage...3

1.1.3 - Réseau tridimensionnel : cristal...3

1.2 – M^ONTAGEDE F^RAUNHOFER...3

1.3 – FORMULEDURÉSEAU



1.4 – FIGURESD’INTERFÉRENCE – SPECTRE...4

1.5 – FINESSEDESFRANGESENLUMIÈREMONOCHROMATIQUE...4

1.5.1 – Amplitude résultante



1.5.2 – Analyse de figures de diffraction...5

1.5.3 – Intensité résultante par la méthode des vecteurs de Fresnel...6

1.5.2.1 – Expression générale



1.5.3.2 – Cas des interférences constructives...6

1.5.3.3 – Cas des interférences destructives...6

2 – INTERFÉROMÈTRE DE FABRY-PEROT...7

2.1 – PRÉSENTATION...7

2.2 – ETUDEDECOURBESD’ÉCLAIREMENT...8

2.3 – APPLICATIONCOMMECAVITÉRÉSONNANTEDELASER



Lycée Fénelon Sainte-Marie 4 Physique - PC

OP5 – Diffraction à l’infini – Filtrage spatial

OP5 – DIFFRACTION À L’INFINI – FILTRAGE SPATIAL...1

INTRODUCTION...2

1 – PRINCIPE DE LA DIFFRACTION À L’INFINI...2

1.1 – MONTAGEDEBASEDELADIFFRACTIONÀL’INFINI...2

1.2 – AMPLITUDEDEL’ONDEINCIDENTE...3

1.3 – TRANSMITTANCEDELAPUPILLE



1.4 – C^ASD’^{UNOBJETDEPHASE}SINUSOÏDALE...3

1.4.1 – Transmittance complexe



1.4.2 – Amplitude de l’onde transmise



1.4.3 – Répartition de l’intensité dans le plan de Fourier



2 – DIFFRACTION PAR UN RÉSEAU PÉRIODIQUE UNIDIMENSIONNEL...5

2.1 – TRANSMITTANCEDURÉSEAU



2.2 – OBSERVATIONSDANSLEPLANDE FOURIER



3 – DIFFRACTION PAR UNE FENTE FINE UNIQUE...6

3.1 – TRANSMITTANCEDELAFENTE



3.2 – OBSERVATIONDANSLEPLANDE FOURIER



4 – FILTRAGE SPATIAL...7

4.1 – MONTAGEDEBASEDELAFORMATIOND’IMAGEENLUMIÈRECOHÉRENTE...7

4.2 – P^{RINCIPEDUFILTRAGESPATIAL}...8

4.3 – E^{XEMPLESDEFILTRAGESPATIALET}APPLICATIONS...8

4.3.1 – Filtrage passe bas - Détramage...8

4.3.2 – Filtrage passe haut : strioscopie...8

Lycée Fénelon Sainte-Marie 5 Physique - PC