1 Différentes sources de lumière
1.1 L’ampoule à incandescence
Ce sont les lampes "classiques" utilisées pour l’éclairage intérieur. L’ampoule contient un fi- lament de tungstène qui, porté à haute température (environ 2500˚C) par le passage d’un courant électrique, émet de la lumière. Généralement l’ampoule est remplie d’un gaz inerte comme l’argon ou le krypton, qui permet d’éviter la détérioration du filament. Ces lampes ont un rendement lumineux faible, car la plus grande partie de l’énergie électrique est convertie en chaleur plutôt qu’en lumière.
Figure1 – La lampe à incandescence
1.2 Lampes à halogène
Ce sont des lampes à incandescence dans lesquelles on a ajouté un gaz de la famille des halogènes (comprenant le brome et l’iode) ou un de leurs dérivés à basse pression (par exemple I2, CH3Br ou CH2Br2) afin de palier à la disparition de la matière du filament et ainsi augmenter la durée de vie des lampes. Ce gaz régénère le filament de tungstène (cycle halogène : une fois les vapeur de tungstène sublimées dans le gaz halogéné elles rejoignent alors le filament, aidant à sa reconstruction) et augmente ainsi fortement sa durée de vie. Les lampes halogènes ont un meilleur rendement que les lampes à incandescence classiques, car elles fonctionnent à plus haute température (environ 2900˚C). L’ampoule doit alors être réalisée dans un matériau résistant à ces hautes températures : quartz ou verres spéciaux (d’où l’appellation courante de lampe quartz-iode). A cause de leur température plus élevée, les lampes halogènes émettent plus de rayonnements ultraviolets, qui ne sont pas absorbés par le quartz de l’ampoule ; pour cette raison, on place généralement devant la lampe une fenêtre en matière plastique transparente ou en verre dont la fonction est d’absorber ces radiations nocives. Ces ampoules permettent aussi une gestion facilitée des déchets car elles ne comportent aucun élément toxique ou dangereux.
De plus, elles s’allument instantanément et ne demandent pas de temps de chauffe. Cependant elles sont assez fragiles et supportent mal les chocs et les allumages et arrêts répétés. Pour finir, elles sont un peu plus chères que les ampoules à incandescence classiques.
Figure2 – Lampes à halogène
1.3 Lampes à décharge
Une lampe à décharge est une lampe dont l’intérieur de l’ampoule est constitué de gaz métal- lique. Lors du passage de l’électricité, les photons sont émis créant donc de la lumière. Ce type de lumière a été mise au point pour la première fois en 1800. Les couleurs de la lumière émise dépend du gaz présent dans l’ampoule. Lorsque le gaz est du mercure, la lumière est bleue et ultraviolette, quand le gaz est du néon, la lumière est rouge. La lumière jaune est donnée par le sodium qu’on mélange parfois au néon pour une lumière orange. Pour finir, le xénon donnera une image blanche puissante et pure. Parmi les lampes à décharge, on retrouve deux types différents : celui avec du gaz à basse pression et celui avec un gaz à haute pression.
Figure 3 – Lampes spectale de TP de physique (lampe à décharge)
1.4 Lampes à décharge à basse pression
1.4.1 Les tubes fluorescents
Figure4 – Tubes fluorescents
Généralités :
Le tube fluorescent (ou tube luminescent) est très utilisé pour l’éclairage domestique ou indus- triel (garages, ateliers, grandes surfaces, bureaux...). Il est souvent appelé à tort "néon", du nom du gaz contenu à l’origine dans le tube (le néon produit une lumière rouge). Ses avantages sont sa faible consommation et sa grande durée de vie. Les tubes fluorescents font partie des lampes à décharge. Ils renferment un mélange d’argon et de vapeur de mercure très raréfié. Une décharge électrique (d’électrons) au travers de ce gaz ionisé devenu conducteur, d’un bout à l’autre du tube, fait briller le mercure d’un rayonnement ultraviolet, qui excite une substance fluorescente (composés phosphorés) déposée sur la paroi interne du tube. Cette substance émet en retour une lumière blanche. Elles sont utilisées pour le rendement élevé qui, malgré un coût à l’achat supérieur à celui des lampes à incandescence classiques permet une durée de vie bien supérieure.
Principe de fonctionnement :
— Le tube est rempli de gaz rare (argon, néon...) et de vapeurs de mercure.
— Les électrodes en tungstène, placées aux extrémités du tube, chauffent et émettent des électrons.
— Ces électrons en se déplaçant d’une électrode à l’autre, heurtent les atomes de mercure et leur communiquent une énergie.
— Les atomes de mercure libèrent ensuite cette énergie sous forme de rayonnement ultra- violet.
— Cette lumière est transformée en lumière visible proche du blanc par la couche fluores- cente qui tapisse la surface interne du tube.
— La fluorescence est la propriété que possèdent certaines espèces chimiques (appelées fluorochromes ou fluorophores) d’absorber la lumière à certaines longueurs d’ondes cor- respondant à une certaine couleur et de réémettre une lumière à une autre longueur d’onde correspondant à une autre couleur.
— Ces espèces chimiques, à l’état de repos, absorbent l’énergie émise par une source lu- mineuse et gagnent un niveau d’énergie supérieur en faisant passer un électron d’une couche à une autre.
— L’électron va ensuite rapidement regagner son niveau original et libérer l’énergie acquise sous forme de lumière.
— Il existe un grand choix de fluorochromes, avec des spectres d’excitation et d’émission variés.
Starter :
— Le starter est un petit tube rempli de gaz, muni d’un contact (bilame).
— Lors de la mise sous tension, il s’amorce.
— L’arc électrique produit échauffe le bilame qui se déforme : le contact se ferme et l’arc électrique disparaît.
— Cette phase permet le préchauffage des électrodes du tube.
— Au bout d’une seconde environ, le bilame a refroidi et le contact s’ouvre, coupant ainsi le courant du circuit.
— Le ballast magnétique crée alors une surtension qui amorce le tube.
— La tension aux bornes du tube diminue et rend impossible l’amorçage du starter jusqu’à la prochaine mise sous tension.
Ballast magnétique :
Le ballast magnétique permet :
— De produire la surtension nécessaire à l’amorçage du tube.
— De limiter l’intensité de l’arc lorsque le tube est amorcé.
Papillotement :
— Le papillotement (ou scintillement ou flicker) est une variation rapide et répétitive de
l’intensité d’éclairage de la source lumineuse.
— Les tubes alimentés en 50 Hz produisent un scintillement à une fréquence de 100 Hz.
— L’oeil humain ne peut pas détecter ces fréquences, mais le papillotement est perçu par son effet stroboscopique et peut être responsable de malaises ou de fatigue.
— Les ballasts électroniques qui alimentent les tubes à des fréquences élevées (de 20 000 à 60 000 Hz) éliminent le scintillement.
— Le montage " duo " utilisant des ballasts magnétiques atténue aussi ce phénomène.
Ballast électronique :
— La tension du réseau est redressée et filtrée.
— Les interrupteurs appliquent au tube un courant à haute fréquence, contrôlé en ampli- tude.
— La consommation du tube est réduite et sa durée de vie augmentée.
Figure 5 – Principe de fonctionnement d’un tube fluorescent
1.4.2 Les lampes à vapeur de sodium
Les lampes à vapeur de sodium sont celles que l’on utilise dans les lampadaires de l’éclairage publique. On pourra aussi les rencontrer dans l’horticulture afin d’aider au développement des plantes. Elles donnent une lumière jaune orangée monochromatique (longueur d’onde 589 nm).
Le sodium, excité par le courant électrique, s’ionise et crée ainsi de la lumière. Cependant, le sodium est un gaz qui s’enflamme spontanément au contact de l’air. Le bris du tube en verre contenant le gaz peut donc produire une flamme et éventuellement conduire à l’apparition d’un feu. De toutes les sortes de lampes actuellement disponibles, ce sont celles qui ont la plus grande efficacité lumineuse. C’est le type de lampe idéal quand le rendu des couleurs n’est pas important. Dans les régions qui ont établi des règlements sur l’éclairage extérieur, c’est le seul type de lampe autorisé à proximité des observatoires astronomiques, car le rayonnement qu’elles émettent peut facilement être filtré.
Figure6 – Tubes fluorescents
1.5 Lampes à décharge à haute pression
1.5.1 Les lampes à vapeur de sodium haute pression
Egalement des lampes à décharge, elles émettent une lumière jaune-orange, plus éblouissante que les lampes au sodium à basse pression, et elles donnent un rendu des couleurs un peu meilleur que ces dernières (mais ce rayonnement en bande spectrale plus large est plus difficile à filtrer pour les observations astronomiques). Actuellement, c’est ce type de lampes qui est le plus couramment installé pour l’éclairage public, bien que son efficacité lumineuse soit moins bonne que celles des lampes au sodium à basse pression.
Figure7 – Tubes fluorescents
1.5.2 Les lampes à vapeur de mercure
Autrefois utilisées en abondance pour l’éclairage public, elles sont de plus en plus remplacées par les lampes au sodium, qui ont un meilleur rendement lumineux. Elles produisent une lu- mière blanc-bleuté, grâce à une décharge électrique à travers la vapeur de mercure à haute pression (500 fois la pression des tubes fluorescents) contenu dans l’ampoule. A cause de cette pression plus élevée, elles émettent plus de lumière visible et moins d’ultraviolet que les tubes fluorescents. Ces lampes ont une très haute durée de vie, souvent annoncée autour de 24 000 heures, elle peut parfois même monter jusqu’à 300 000 heures ! Cependant, une telle lampe met plus de 5 minutes à délivrer son rendement maximum. Ces lampes sont interdites dans les régions réglementant l’éclairage, car elles consomment beaucoup d’énergie.
Figure 8 – Lampe mercure haute pression 1.5.3 Les lampes à halogénures métalliques
Elles forment un arc électrique (d’une dizaine de mm) dans une ampoule renfermant des halo- génures métalliques et des vapeurs de mercure à haute pression. Les métaux vaporisés émettent une lumière blanche vive, avec une grande efficacité (5 fois meilleure qu’une lampe à incan- descence) ; ces lampes sont donc intéressantes quand on désire un bon rendu des couleurs. Les éléments halogénés servent à augmenter la concentration en métaux vaporisés dans la zone chaude de l’arc. Tout comme pour les lampes halogènes à filament de tungstène, les ampoules de ces lampes sont en quartz et laissent échapper un rayonnement ultraviolet qui doit être filtré.
Ces lampes sont utilisées dans les vitrines commerciales, les terrains de sport, . . . 1.5.4 Les lampes au néon
Les lampes au néon sont des lampes à décharge dans lesquelles ont trouve du néon au sein de l’ampoule. On les rencontre afin de représenter les enseignes des magasins. Inventées en 1910, ces lampes ont tout de suite rencontré un large succès. Cependant, elles ne sont plus très utilisées de nos jours.
Figure9 – Tube néon
1.6 La lampe fluorescente
Figure 10 – Lampes fluocompactes
Les lampes dites économiques, qui se substituent de plus en plus aux lampes à incandescence, sont également des tubes fluorescents, dits compacts.
La lampe fluorescente est également connue sous le nom de lampe fluo-compacte qui est l’abré- viation de lampe fluorescente compacte, est une lampe fluorescente qui a été adaptée pour un usage domestique. Pour cela, on a réduit la taille du néon qui est maintenant enroulé au dessus d’un culot qui contient un ballast électronique nécessaire à l’allumage. Elles ont donc exactement le même fonctionnement que les tubes fluorescents habituels. Cependant, ce type d’ampoules ne fournit toute sa puissance d’éclairage qu’après plusieurs minutes et son spectre n’est pas agréable pour la vision. Il arrive même que les lampes fluo-compactes créent des mi- graines. Au niveau de la gestion des déchets, cette lampe est dangereuse puisqu’elle contient du mercure, métal hautement toxique et écotoxique.
On dit d’un objet qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant.
1.7 Les lampes à induction
Les lampes à induction sont des lampes qui nécessitent un rayon électromagnétique afin de fonctionner. Son fonctionnement est simple : une ampoule remplie de mercure à l’état gazeux est traversé par un champ électromagnétique créé par un ballast. Le mercure est alors ionisé et produit des rayonnements ultra-violets. Ces rayons excitent pour finir un revêtement lumi- nophore sur l’ampoule qui émet cette fois de la lumière dans les longueurs d’ondes visibles par l’œil humain.
1.8 La lampe à diode électroluminescente
La lampe à diode électroluminescente, abrégée en DEL ou en LED en anglais pour Light- Emitting Diode est un type de lampes dernière génération qui a pour vocation de remplacer toutes les autres lampes existantes. Leur fonctionnement repose sur les diodes électrolumines- centes. Au début, ces lampes étaient utilisées dans les voyants de signalisation car elles ne pro- duisent presque pas de chaleur contrairement aux lampes à incandescence et elles consomment très peu d’énergie, ce qui en faisait des produits de choix pour les voyants de fonctionnement.
Disposant d’une durée de vie très élevée, elles se sont agrandies et maintenant on trouve des LED dans tous les domaines et dans toutes les tailles. Les lampes à diode électroluminescente ont aussi l’avantage de produire de nombreuses lumières par addition de couleurs. Leur vieillesse se caractérise par une baisse de leur rendement. Il arrive donc plus fréquemment que les com- posants électroniques de la LED tombent en panne avant les diodes électroluminescentes en elles-mêmes. Ce type de lampe montre aussi une grande résistance aux changements d’état
allumé ou éteint sans s’user ni s’abîmer contrairement à une ampoule à incandescence habi- tuelle. Pour finir, elles permettent une pleine puissance lumineuse instantanée, ce qui en fait une lampe privilégiée dans le domaine de la signalisation, notamment dans l’automobile. Il existe cependant quelques inconvénients à l’utilisation des LED. En effet, ces dernières sont sensibles à la chaleur et c’est pourquoi il est important qu’elles soient accompagnées d’un bon dissipateur thermique. Autrement, elles perdent de leur puissance lumineuse au delà de 100˚C.
Leur prix reste aussi bien plus élevé que les ampoules à incandescence traditionnelles ainsi que les ampoules halogènes.
Figure11 – LED Un matériau semi-conducteur
Un matériau semi-conducteur est un matériau dont la conductibilité électrique peut varier en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve.
C’est la mécanique quantique et la théorie des bandes qui permettent d’expliquer ce compor- tement. Schématiquement, le phénomène peut être représenté de la manière suivante :
Le niveau d’énergie d’un électron d’un atome ne peut prendre qu’un certain nombre de valeurs discrètes. Ces plages sont appelées “bandes d’énergie”. Suivant leur niveau d’énergie, les électrons peuvent soit se trouver dans une bande de valence ou dans une bande de conduction. Dans le premier cas, ils contribueront aux liaisons de l’atome, dans l’autre, à la conductibilité du matériau. Entre ces bandes, il existe des bandes dites “interdites”, correspondant aux valeurs énergétiques que l’électron ne peut prendre.
Pour les matériaux conducteurs, cette bande interdite n’existe pas. Les électrons de liaisons contribuent alors directement à la conductibilité. Pour les matériaux isolants, cette bande est quasi infranchissable tant l’énergie nécessaire est importante (plusieurs électronvolts : eV). Pour les semi-conducteurs, cette bande interdite est suffisamment petite pour permettre un passage aisé des électrons de la bande de valence à la bande de conduction (de l’ordre de 1 eV).
Cette représentation permet d’expliquer la différence de comportement à la chaleur des conduc- teurs et des semi-conducteurs. Dans un métal, les électrons de valence soumis à la chaleur s’agitent, diminuant la zone conductrice de la bande d’énergie (augmentation de la résistance).
Pour les semi-conducteurs, une augmentation de la température favorise le passage des élec- trons situés sur la bande de valence vers la bande de conduction, améliorant la conductibilité de l’atome (diminution de la résistance).
Figure 12 – Il faut remarquer la différence de la largeur de la bande interdite : 0 eV pour les conducteurs, de l’ordre de 1 eV pour les semi-conducteurs et plusieurs eV pour les isolants
Remarque : le niveau de fermi représente le plus haut niveau d’énergie que les électrons peuvent prendre à une température de 0K.
Il est possible d’augmenter la conductibilité d’un semi-conducteur par un procédé chimique, appelé dopage, qui consiste à insérer des impuretés dans le semi-conducteur.
On réalise ainsi des semi-conducteurs de type n et des semi-conducteurs de type p.
Pour obtenir un matériau de type n, on dope le matériau semi-conducteur (généralement du silicium) avec un élément de valence supérieure (possédant plus d’électrons que le semi- conducteur), comme le phosphore, afin d’ajouter des électrons à la bande de conduction. La conduction est alors assurée par le déplacement de ces électrons.
Figure 13 – Semi-conducteur de type N par "dopage" avec un élément ayant 5 électrons au lieu de 4, comme le silicium Si, sur sa couche de valence
Pour obtenir un matériau de type p, on dope le matériau semi-conducteur par un élément de valence moins importante, comme le Bore, afin de diminuer le nombre d’électrons de la bande de valence. La conduction est alors assurée par le déplacement de porteurs chargés positivement (trous correspondant au manque d’électrons).
Figure 14 – Semi-conducteur de type P par "dopage" avec un élément ayant 3 électrons au lieu de 4, comme le silicium Si, sur sa couche de valence
Une jonction PN
Une diode électroluminescente ou une cellule solaire photovoltaïque est composée d’une jonction p-n, la couche supérieure étant un matériau de type n et la couche inférieure de type p. Pour fabriquer ces jonctions, on effectue un traitement de surface pour déposer un semi-conducteur de type n sur la surface externe d’un matériau de type p.
Figure 15 – Jonction PN que l’on trouve dans une diode électroluminescante (et dans toutes les diodes utilisées en électronique qui pour faire passer le courant dans un seul sens pour
"redresser" le courant "alternatif" " en courant "continu" dans les chargeurs de portables ou d’ordinateurs qui fonctionnent avec une batterie en continu et qu’on recharge à partir du secteur en alternatif 230V, 50 Hz
La mise en contact de ces matériaux génère une barrière de potentiel à la base du champ électrique permanent. Cette barrière, appelée zone de déplétion, est formée par recombinaison du surplus de trous et d’électrons des zones p et n remise en contact. Le schéma suivant représente les niveaux d’énergie au voisinage de la jonction :
Figure 16 – Potentiel électrique à la jonction PN d’une diode électroluminescente Si la température d’une telle jonction augmente, les électrons rempliront progressivement tous les états d’énergie, annulant la bande interdite et par là, l’effet de la jonction p-n.
Effet électroluminescent Historique
H.J. Round fut le premier à observer une émission de lumière par un semi-conducteur en 1907.
La diode électroluminescente était née. C’est, en quelques sortes, l’inverse de l’effet photoélec- trique qui caractérise les cellules photovoltaïques. Utilisée dans les LEDs, cette technologie n’a pas cessé de s’améliorer tant au niveau de l’étendue de la gamme de couleurs qu’à l’explosion des domaines d’application comme la signalisation et l’éclairage de puissance.
Principe : Lorsqu’on soumet une jonction PN à une source électrique à courant continu, la jonction présente un comportement différent si elle est soumise à une différence de potentiel dans le sens direct ou dans le sens inverse.
La polarisation directe de la jonction (en respectant les bornes) provoque un abaissement de la barrière de potentiel et permet un passage important d’un courant appelé courant de diffusion et dû aux porteurs majoritaires. La présence de ce courant de diffusion déséquilibre le système et aboutit à une croissance de la population des porteurs minoritaires dans chaque zone. Si la tension de polarisation directe est suffisante, la probabilité de recombinaison radiative n’est plus négligeable et des photons sont produits par la recombinaison dans la jonction.
Figure17 – Polarisation dans le sens passant (ou direct) de la diode, avec diminution du "mur de potentiel" permettant la circulation des charges libres de se déplacer (électrons et trous) s’accompagnant de l’émission de lumière lors de la recombinaison électron / trou avec saut quantique de largeur égale à la largeur de la "bande interdite", ce qui détermine l’énergie donc la fréquence et la couleur du photon émis par la LED (dépend du matériau)
À titre indicatif, la polarisation inverse provoque un renforcement de la barrière de potentiel (élargissement de la zone de déplétion par recombinaison) et un courant dû aux porteurs mi- noritaires (trous dans le type n et électrons dans le type p). Ce courant, très faible, varie peu en fonction de la tension.
Figure 18 – Polarisation dans le sens bloqué (ou indirect) de la diode, avec augmentation du "mur de potentiel" empêchant la circulation des charges libres de se déplacer (électrons et trous). Dans ce cas, la diode s’oppose au passage du courant et la LED reste éteinte
Cette caractéristique est à la base des diodes, composant électronique qui ne permet le passage de courant que dans un sens.
Liée aux matériaux et au taux d’impuretés de la diode, la lumière émise est quasi monochro- matique, ce qui signifie que la couleur émise sera saturée.
Chaque recombinaison n’est pas radiative : il n’y a donc pas d’émission de photon à tous les coups, ce qui réduit l’efficacité de la diode électroluminescente. Il est donc nécessaire pour les fabricants d’allier des matériaux et des moyens de conception qui permettent d’optimiser le rendement radiatif. Pour l’éclairage, les fabricants ont donc dû faire appel à leur imagination pour améliorer la performance de la jonction : on parle d’hétérojonctions multiples pour les LED de puissance contre des homojonctions pour les LED classiques de basse puissance.
1.9 Le laser
1.9.1 Introduction
Un laser (acronyme issu de l’anglais light amplification by stimulated emission of radiation qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de radiation ») est un sys- tème photonique. Il s’agit d’un appareil qui produit un rayonnement lumineux spatialement et temporellement cohérent basé sur l’effet laser (lumière monochromatique et photons en phase).
Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l’effet laser à une cavité optique, encore appelée résonateur, généralement constituée de deux miroirs, dont un au moins est par- tiellement réfléchissant, c’est-à-dire qu’une partie de la lumière sort de la cavité et l’autre partie est réinjectée vers l’intérieur de la cavité laser. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extrêmement directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble im- posent que le rayonnement émis soit d’une grande pureté spectrale. Le spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies très fines, à des longueurs d’onde définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l’émission spontanée au sein de l’amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d’obtenir une émission autour d’une seule longueur d’onde.
Figure 19 – Laser 1.9.2 Histoire
Le principe de l’émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein.
En 1950, Alfred Kastler (lauréat du prix Nobel de physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qu’il valide expérimentalement, deux ans plus tard. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d’un cristal de rubis.
Les lasers trouvent très tôt des débouchés industriels. En 1967, Peter Holcroft découpe une plaque d’acier inoxydable de 2,5 mm d’épaisseur à une vitesse de 1 m/min, sous dioxygène avec
un laser CO2 de 300 W et conçoit la première tête de découpe. Il faut attendre leurs associations à des machines adaptées pour qu’ils soient implantés en milieu industriel. Ces conditions sont remplies à la fin des années 1970. Et les premières plates-formes industrielles sont implantées en France dès les années 1980. Dès lors le laser s’impose comme un outil de production industrielle dans le micro-usinage. Ses principaux avantages sont un usinage à grande vitesse de l’ordre de 10 m/min, sans contact, sans usure d’outil.
Le laser devient un moyen de lecture en 1974, avec l’introduction des lecteurs de codes barres.
En 1978, les laserdiscs sont introduits, mais les disques optiques ne deviennent d’usage courant qu’en 1982 avec le disque compact. Le laser permet alors de lire un grand volume de données.
1.9.3 Principe de fonctionnement
Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d’introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d’énergie discrets (les « couches »). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si l’on considère l’image selon laquelle les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques.
Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu’un électron (hydrogène), pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l’état de l’atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d’énergie avec un nombre entier n
Venons-en aux principaux processus d’interaction entre la lumière et la matière, à savoir l’ab- sorption, l’émission stimulée et l’émission spontanée.
Absorption :
Le photon fait passer l’atome de son état fondamental 1 vers l’état excité 2.
Émission stimulée :
Un atome dans l’état n’ peut se « désexciter » vers le niveau n sous l’effet d’une onde élec- tromagnétique, qui sera alors amplifiée. On peut l’interpréter comme l’émission d’un photon d’énergie qui vient s’ « ajouter » au rayonnement. La désexcitation de l’atome est stimulée par l’arrivée du photon incident. Le photon émis vient s’ajouter au photon incident (qui, en quelque sorte, se « clône » ou bien encore se « duplique » ou bien encore se « photocopie », si l’on peut dire). Il y a amplification par « réaction (de duplication) en chaîne ». Tous les photons sont « identiques », même énergie, même fréquence, même longueur d’onde, même couleur et ils sont tous « en phase ». La superposition de tous ces photons « en phase », dans le même état quantique (superphoton) donne au rayonnement laser sa spécificité de pureté en couleur (longueur d’onde, fréquence, énergie), de synchronicité (puisqu’ils sont tous en phase) et de directionnalité.
Figure 20 – Différence entre émission spontanée et émission stimulée Émission spontanée :
La désexcitation de l’atome se produit de façon spontanée et s’accompagne de l’émission d’un photon dans une direction aléatoire (c’est ce qui se produit dans une ampoule normale lors de la
désexcitation des atomes excités, tous les photons ont une direction et une phase différente, ils sont désynchronisés avec une couleur éventuellement différente : hauteur du saut de l’électron).
Inversion de population (qualitatif) :
Considérons un ensemble d’atomes à deux niveaux. Si on envoie des photons sur un ensemble d’atomes dans l’état « haut », le phénomène privilégié sera l’émission stimulée et le rayonnement monochromatique sera amplifié. Pour réaliser un amplificateur optique, il faut donc trouver le moyen d’exciter les atomes vers l’état d’énergie supérieure. De façon plus générale, si certains atomes sont dans l’état fondamental « bas », des photons peuvent être également absorbés, ce qui diminue l’intensité du champ. Il n’y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux à être dans l’état « haut » (susceptible d’émettre) que dans l’état « bas » (susceptible d’absorber) : il est nécessaire d’avoir une « inversion de population ». Pour maintenir une inversion de population, il est nécessaire de fournir constamment un apport d’énergie extérieure aux atomes, pour ramener dans l’état supérieur ceux qui sont repassés dans l’état fondamental après l’émission stimulée : c’est le « pompage ». Les sources d’énergie extérieures peuvent être de différents types, par exemple un générateur électrique, ou un autre laser (pompage optique). L’amplificateur est donc un ensemble d’atomes ou molécules que l’on fait passer d’un état fondamental ou faiblement excité n à un état plus fortement excité n’, au moyen d’une source d’énergie extérieure (pompage). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l’état n, en émettant des photons.
2 Spectres d’émission
Figure 21 – Spectres d’émission de diverse sources lumineuses
3 Éléments de photométrie visuelle
3.1 Notion d’angle solide Ω en stéradian (sr)
Figure 22 – Angle solide en stéradans (sr). L’espace complet correspond à 4π sr
3.2 Sensibilité de l’œil aux ondes électromagnétiques ou bande pas- sante de l’œil, sensible uniquement à la lumère visible entre cer- taines longueurs d’onde et maximum de sensibilité à une certaine longueur d’onde
L’œil ne présente pas la même sensibilité dans toutes les longueurs d’onde. Une étude statistique a permis de déterminer la sensibilité spectrale moyenne de l’œil humain. La courbe obtenue, appelée courbe de visibilité, est intégrée dans certains appareils de mesure, afin qu’ils analysent les couleurs de la même manière que l’homme les perçoit.
Figure23 – Courbe de sensibilité spectrale moyenne de lœil humain
On remarque, selon cette courbe, qu’une source de lumière située vers 660 nm doit être environ 10 fois plus lumineuse qu’une source de 560 nm pour être perçue avec la même intensité.
Cette valeur n’est bien sûr qu’une moyenne, chaque individu possédant sa propre sensibilité chromatique. Dans un environnement lumineux (vision diurne, dite photopique), l’œil humain est le plus sensible au domaine de longueur d’onde correspondant à la perception du vert-jaune, vers 555 nanomètres. Dans un environnement plus obscur, la vision humaine ne distingue plus les couleurs, et la sensibilité spectrale relative est décalée vers le bleu. On parle de vision scotopique. Entre les deux domaines de luminosité, on parle de vision mésopique.
3.3 Intensité lumineuse I en candelas (cd) envoyé par une lampe dans une certaine direction bien précise (grandeur visuelle)
Le candela est l’unité d’intensté lumineuse émise par une lampe dans une certaine direction.
C’est une grandeurvisuelle car elle prend en compte la sensibilité de l’œil. On peut représenter l’intensité lumineuse envoyée par la lampe dans différentes directions par des vecteurs partant
de la source lumineuse. Plus le vecteur est grand, plus l’intensité lumineuse est grande. On appelle « surface indicatrice d’émission » la surface fermée dans les trois dimensions de l’espace réunissant tous les points au bout de toutes les « pointes » de tous les vecteurs « intensité lumineuse ». Elle caractérise la répartition de l’émission de lumière de la source lumineuse dans l’espace.
Figure24 – Surfaces indicatrices d’émission de certaines sources ponctuelles
— Si la source émet avec la même intensité dans toutes les directions, soit 4π sr, la surface indicatrice d’émission est celle d’une sphèrecentrée sur la source(fig.1 de Figure 24).
— Si la source émet avec la même intensité dans un demi-espace soit 2π sr, la surface indicatrice d’émission est celle d’une demi-sphère centrée sur la source (fig.2 de Figure 24).
— Une ampoule réelle a une surface indicatrice d’émission du genre cardioïde (fig.3 de Figure 24).
— Pour une source dite source de Lambert, la surface indicatrice d’émission est celle d’une sphèrepassant par la source (fig.4 de Figure 24).
Pour les sources de symétrie cylindrique (tubes fluorescents), les fabriquants donnent souvent la courbe photométrique I=f(α). Un réflecteur situé derrière le tube va donner un faisceau plus ou moins large. Dans le cas ou la source lumineuse de possède pas un seul axe de symétrie, on représente les répartitions dans deux plans de symétrie orthogonaux : longitudinal et transversal.
3.4 Flux lumineux Φ en lumen (lm) envoyé par la lampe dans l’espace (grandeur visuelle prenant en compte la sensibilité de l’œil)
Le lumen est l’unité de flux lumneux, notéΦ(phi majuscule grec). Il correspond à une intensité de un candela (1 cd) émise dans un angle solide de un stéradian (1 sr). 1 lm = 1 cd · 1 sr.
Pour trouver le flux lumineux (élémentaire) noté dΦ émis par une source lumineuse, il faut multiplier l’intensité lumineuse I dans une direction donnée par l’angle solide élémentaire dΩ (c’est à dire pas trop grand afin de pouvoir considérer l’intensité lumineuse constante dans tout cet angle solide élémentaire). Ensuite pour trouver le flux émis dans tout l’espace, on ajoute tous les flux lumineux élémentaires. On dit qu’on fait uneintégration(notéeR
, correspondant auS de "somme") dans tout l’espace de tous les flux (élémentaires) afin d’obtenir le flux total.
dΦ =IdΩet Φ =R
dΦ =R IdΩ.
Si I est constant dans tout l’espace, ce qui correspond à la fig.1 et à la fig.2 de la figure 24, alors, on peut sortir l’intensitéI de l’intégrale et cela donne :
Φ =R
IdΩ = IR
dΩ soit Φ =I ·4π pour la fig.1 de la Figure 24 (espace complet de 4π sr) et Φ =I·2π pour la fig. 2 de la Figure 24 (demi-espace de2π sr). La "réalité", dans le cas général
se trouve un peu entre les deux dans le cas des ampoules "standard" étudiées en TP (et cela dépend du réflecteur et de la directivité du faisceau obtenu, s’il y en a un).
3.5 Eclairement lumineux E en lux, reçu sur une surface éclairée par une lampe (grandeur visuelle prenant en compte la sensibilité de l’œil)
Le lux est l’unité d’éclairement lumineux reçu sur une surface.
1 lx = 1cd·1sr
1m2 = 1lm
1m2 = 1 lm·m−2
Lorsque la source est ponctuelle et que l’on est dans le noir complet, on peut écrire la loi suivante, appelée Loi de Bouguer (Pierre Bouguer, né le 10 février 1698 au Croisic et mort le 15 août 1758 à Paris, est un mathématicien, physicien, géodésiste et hydrographe français) :
E = I d2
On peut mesurer directement cette grandeur en travaux pratiques à l’aide d’un lux-mètre.
Figure25 – Statue de Pierre Bouguer au Croisic et luxmètre utilisé en TP et en photographie
3.6 Efficacité lumineuse en lumens par watt (lm/W) mesurant l’effi- cacité d’une lampe à émettre de la lumière visible
3.6.1 Définition
L’efficacité lumineuse êta (η) d’une lampe s’exprime en lumens par watt (lm·W−1). Elle permet de mesurer le flux visuel émis par la lampe en lumens par watt de pussace électrique consommée pour produire cette lumière (un watt est égal à un joule d’énergie électrique consommée par seconde).
η = Φ P
Plus l’efficacité lumineuse η d’une lampe est grande, plus on économise de l’énergie électrique (donc de l’argent) pour éclairer dans le domaine des ondes électromagnétiques visibles pour l’œil (et là où il est le plus sensible) et mieux c’est car il y a moins d’énergie perdue sous forme de chaleur (rayonnement invisible, infrarouge : IR) ou de rayonnement invisible ultraviolet : UV sans que l’œil ne puisse faire la différence.
3.6.2 Principe de la mesure de l’efficacité lumineuse de différents types de lampes en travaux pratiques de physique (TP)
On se met dans le noir. On choisit une ampoule. On alimente cette ampoule en courant électrique (230V, 50Hz, alternatif fourni par EDF). On utilise un compteur d’énergie, qui se branche sur le secteur et qui permet de mesurer la tension efficace, l’intensié efficace et la puissance reçue par la lampe en watts. On utilise un luxmètre sur un banc d’optique en le plaçant à environ un mètre en face de la lampe pour mesurer l’éclairement. On éloigne le luxmètre, face à la lampe, sur le banc d’optique de 10 cm en prenant une deuxième mesure d’éclairement (qui diminue avec la distance d entre la lampe et le luxmètre). On recommence ainsi de suite un dizaine de fois. On trace ensuite une courbe de l’éclairement en fonction de l’inverse du carré de la distanceE =f
1 d2
. En vertu de la loi de Bouguer, la courbe obtenue devrait être une droite passant par l’origine dont le coefficient directeur est égal à l’intensité lumineuseIde la lampe en candelas dans la direction du luxmètre. On multiplie ensuiteI par 2π stéradians en considérant que l’intensité est constante dans le demi espace au-dessus de l’ampoule et nulle dans le demi- espace en-dessous de l’ampoule (à cause de la douille) pour obtenir une approximation du flux lumineux en lumens produit par la lampe (Φ = 2π ·I). On relève P, la puissance en watts consommée par l’ampoule et on divise le flux Φ en lumens par la puissance P en watts afin d’obtenir l’efficacité lumineuse de l’ampoule en lumens pas watt, grâce à la relation : η= Φ
P.
Figure26 – Matériel : wattmetre sur secteur, ampoule, banc d’optique et luxmètre Remarque : En pratique, la courbe obtenue ne passe pas par l’origine, à cause du fait qu’on n’est jamais dans l’obscurité totale mais ce n’est pas grave car l’intensité correspond au coefficient directeur de la droite qui n’est pas affecté par le fait que la courbe ne passe pas tout à fait par zéro. De plus, si on s’approche trop près de la lampe, ce n’est plus une droite puisqu’elle ne peut plus être considérée comme ponctuelle, c’est pour cela qu’on évite de s’approcher à moins de un mètre de l’ampoule (toutes les mesures d’éclairement sont effectuées entre 1 m et 2 m, jusqu’au point le plus éloigné possible de l’ampoule sur le banc d’optique).
3.6.3 Quelques valeurs d’efficacité lumineuse pour différents types d’ampoules
Figure27 – Quelques valeurs prises sur Wikipédia
