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LA LUMIERE
Christian Chardonnet - chardonnet_at_lpl.univ-paris13
.fr Laboratoire de Physique des Lasers UMR 7538
C.N.R.S.-Université Paris 13 99, Avenue J.B.
Clément 93430 VILLETANEUSE
IUFM - Bobigny le 31 janvier 2001
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• 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

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Propagation de la lumière
La lumière, les rayons lumineux se propagent en
ligne droite dans le vide.
La lumière na pas besoin de support matériel
pour se propager l éther  nexiste pas !
La lumière se propage dans le vide à la vitesse
de la lumière
c 299792458 m/s
Durée de propagation Terre-Lune 1,2
s Terre-Soleil 8 mn
Rien ne peut aller plus vite que la lumière (dans
le vide).
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Propagation de la lumière dans la matière
n est lindice du milieu.
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Propriété de relativité restreinte
Vitesse relative vv1v2200 km/h
v1100 km/h
Vitesse de la lumière vue par le chauffeur
c-v1, cv1 ?
Non, la vitesse de la lumière est toujours c!
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Réflexion de la lumière
Réflexion sur une surface métallique bien polie
(d aspect brillant)
L angle de réflexion, ar est égal à l angle
dincidence, ai.
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Réfraction de la lumière
n1 lt n2
n2
n1
r1i1 n1 sin(i1)n2 sin(i2)
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La réflexion totale
n1 lt n2
n1
n2
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Dispersion de la lumière
L indice du milieu varie avec la couleur cest
un milieu dispersif.
Si la lumière est composée de plusieurs couleurs,
son passage de lair dans ce milieu va provoquer
la décomposition de cette lumière.
Lensemble des couleurs de cette lumière forme
son spectre.
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La diffusion de la lumière
?
La diffusion est provoquée par la rigosité de la
surface mais aussi par les poussières dans
lair, par le brouillard, etc...
Mais aussi, la lumière peut avoir diffusé dans le
matériau avant de ressortir dans nimporte
quelle direction.
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Labsorption de la lumière
En général, tous les milieux absorbent la lumière
de façon plus ou moins importante suivant 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
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Absorption et diffusion de la lumière la
couleur des objets
Un objet absorbant toutes les couleurs est
noir. Un objet absorbant très peu les couleurs
est blanc.
Le rouge et le jaune sont diffusés alors que le
vert et le bleu sont absorbés l objet apparaîtra
orange.
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Les sources de lumière
La couleur dun objet nest pas intrinsèque
Sil nest pas éclairé, il paraît noir. Si un
objet orange est éclairé en lumière rouge et
bleue, il paraîtra rouge, etc...
La couleur dun objet nest en général que la
lumière quil réfléchit ou quil diffuse. Cette
lumière vient dune source lumineuse dite
primaire. Exemples le Soleil, lampoule Il est
lui-même une source secondaire de lumière.
Exemple la Lune.
Mais tous les objets sont aussi des sources
primaires de lumière. Le rayonnement émis 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.
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La lumière une onde électromagnétique
B, champ magnétique de l onde, évolue comme E k,
vecteur donde indique le sens de propagation de
la lumière.
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6000K
Soleil
300K
France Info
Température
Corps humain
1GHz
1THz
1000THz
1MHz
Fréquence
30µm
3µm
0.3µm
3mm
30cm
Longueur d onde
Ondes centimétriques millimétriques
Infrarouge visible UV X
gamma
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Le rayonnement du soleil
I.R.
U.V.
V.U.V.
fréquence
(THz)
500
1000
1500
2000
2500
longueur donde
(nm)
800
400
125
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Le rayonnement du corps humain
Infrarouge
(THz)
20
40
60
80
100
(nm)
10000
5000
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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 donde de la
lumière incidente. (longueur d onde visible
entre 0.4 et 0.8 µm)
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La nature corpusculaire de la lumière le photon
Londe 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,
n, il existe une quantité minimale on
lappelle le photon.
Il possède beaucoup de propriétés dune
particule une énergie hn (h, constante de
Planck) une impulsion hn/c
mais il na pas de masse et se déplace à la
vitesse de la lumière.
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LE LASER
Light Amplification by the Stimulated Emission of
Radiation

• lumière dirigée faisceau laser
• lumière monochromatique fréquence laser,
  longueur donde laser

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Emission spontanée dun photon par un atome
Lélectron tourne autour du noyau sur des orbites
quantifiées.
En passant sur une orbite plus profonde, il perd
de lénergie. Cette énergie est libérée sous la
forme dun photon.
E hn
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Absorption dun photon par un atome
Lélectron peut aussi passer sur des orbites
externes. Pour cela, il a besoin dénergie.
Cette énergie pourra être fournie par un photon
à condition quil possède la bonne fréquence
E hn
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Emission stimulée dun photon par un atome
En présence dun rayonnement lumineux à la
bonne fréquence, lélectron sur une orbite
externe, va émettre un photon en phase .
E hn
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Latténuation de la lumière par une assemblée
datomes
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Lamplification de la lumière par une assemblée
datomes excités
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Mais... en moyenne, il y aura autant dabsorption
que démission de lumière
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(No Transcript)
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Le rayonnement du corps humain
Infrarouge
fréquence
(THz)
20
40
60
80
100
longueur donde
(nm)
10000
5000
Finesse en longueur donde du rayonnement laser
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Spectre d émission dun laser à CO2 stabilisé
Largeur de raie laser de 6 Hz pour une fréquence
laser de 30 THz 2.10-13
30
t1ns
10fs
Un laser femtoseconde émet des impulsions lasers
très courtes (10fs10millionième de milliardième
de seconde) à une cadence de une impulsion toutes
les ns (1ns1milliardième de seconde)
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Le spectre de lumière correspondant aux
impulsions lasers est un peigne de fréquences
parfaitement équidistantes (vérifié à 10-17 près)
d
I(f)
frép.
f
0
fn nfrép. d
Ce peigne de fréquences constitue une règle
graduée extrêmement précise pour 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.