Optique Optique moderne
Polarisation, lasers, fibres optiques. Cours et exercices corrigés.

Sommaire et contenu du livre "Optique Optique moderne - Polarisation, lasers, fibres optiques. Cours et exercices corrigés."

TABLE DES MATIERES

Avant propos Avertissement sur les notations utilisées A
Partie A: POLARISATION DE LA LUMIERE
CHAPITRE 1
: Initiation à la polarisation: réfringence et biréfringence
1.
Approche de la polarisation de la lumière 9

1.1.
Lumière naturelle-Lumière polarisée 9

1.2.
Rôle du polariseur et loi de Malus Il
1.3.
Propagation de la lumière -Définitions 14

lA.
Polarisation par réflexion -Incidence de Brewster : 15

2.
Réfringence d'un milieu isotrope 18

2.1.
Construction de Huygens du rayon réfracté 18

2.2.
Compatibilité avec la deuxième loi de Descartes 19

2.3.
Autre construction possible 19

3.
Biréfringence d'un milieu uniaxe 19

3.1.
Etude d'un cristal uniaxe 20

3.2.
Recherche des rayons réfractés dans un cristal biréfringent uniaxe 23

3.3.
Représentation dans l'espace des surfaces d'onde 27

CHApITRE Il
: Analyse des vibrations polarisées
1.
Lame biréfringente uniaxe 28

1.1.
Recherche expérimentale des lignes neutres de la lame 28

1.2.
Etude de la vibration émergente 29

1.3.
Lames biréfringentes particulières 31

2.
Interférences en lumière polarisée 33

2.1.
Enoncé du problème 34

2.2.
Résolution 34

2.3.
Expérience d'interférences en lumière polarisée 37

3.
Polariseurs provenant de cristaux biréfringents 39

3.1.
Le polariseur « Nicol» 39

3.2.
Le bi-prisme « Wollaston» 40

3.3.
Le polariseur « Glan-Taylor» :.. 44

CHAPITRE III
: Polarisation artificielle et polarisation rotatoire
1.
Biréfringence artificielle .45

1.1.
Action d'un champ électrique 45

1.2.
Action d'un champ magnétique 48

] .3. Action mécanique 48

lA.
Fabrication des polariseurs 49

2.
Polarisation rotatoire 50

2.1.
Présentation de la polarisation rotatoire 50

4..2. Les trois premières lois de Biot.. 52

2.3.
Quatrième et cinquième loi de Biot... 53

2A.
Structure microscopique des milieux optiquement actifs 56

2.5.
Polarisation rotatoire magnétique: effet Faraday 57

Exercices corrigés sur la polarisation
1.
Loi de Malus 59

2.
Incidence Brewstérienne 60

3.
Angle de Brewster 61

4.
Interférences en lumière poJarisée 62
,
5.
Compensateur de Babinet 63

6.
Filtre biréfringent 66

Partie B
: LES LASERS
CHAPITRE IV: Présentation des lasers
1.
Introduction 69

1.1.
Historique 69

1.2.
Propriétés de la source laser 69

1.3.
Description de plusieurs types de laser 72

lA.
Bilan des caractéristiques des principaux lasers 77

2.
Interaction matière-rayonnement 78

2.1.
Niveaux d'énergie 78

2.2.
Emission spontanée d'un photon 79

2.3.
Absorption d'un photon 80

2A.
Emission stimulée d'un photon 81

2.5.
Résumé imagé des trois processus 82

3.
Amplification de lumière-Pompage 82

3.1.
Amplification de lumière 83

3.2.
Pompage 83

CHAPITRE V
: Etude de la cavité laser
1.
Cavité et modes 87

1.1.
Résonateur optique 87

1.2.
Condition de stabilité de la cavité 89

1.3.
Cavités particulières 90

lA.
Distance entre les deux miroirs d'une cavité stable 91

2.
Interféromètre de Fabry-Pérot 93

2.1.
Etude de l'amplitude en sortie de cavité 93

2.2.
Etude de J'intensité lumineuse 94

2.3.
Analyse de la fonction d'Airy 95

3.
Applications du Fabry-Pérot 98

3.1.
Intervalle spectral libre 98

3.2.
Filtre interférentiel 100

3.3.
Transformation d'un laser multimode en laser monomode 101

3A.
Analyse spectrale des modes longitudinaux d'un Jaser 102

CHAPITRE VI: Analyse d'un faisceau laser
1.
Ondes planes, sphériques et gaussiennes 104

1.1.
Onde plane 104

1.2.
Onde sphérique 105

1.3.
Onde sphérique gaussienne 106

2.
Caractéristiques d'un faisceau gaussien 108

2.1.
Rayon de courbure de l'onde 108

2.2.
Diamètre du faisceau gaussien 110

2.3.
Divergence du faisceau 1Il
3.
Caractéristiques du waist de la cavité laser. 115

3.1.
Convention de signe 115

3.2.
Position du waist 116

3.3.
Dimension du waist 118

CHAPITRE VII
: Transformation d'un faisceau gaussien par un système optique
1.
Traversée d'une lentille mince convergente 119

1.1.
Hypothèses ) 19

1.2.
Conjugaison optique entre le waist objet et le waist image 120

2.
Transmission à travers un système afocaL 123

2.1.
Conjugaison à travers un système afocaL 124

2.2.
Dimension du waist image 125

2.3.
Divergence du faisceau image 125

3.
Transmission à travers un filtre spatial 126

3.1.
Transmission du faisceau 126

3.2.
Dimension du diaphragme 126

4.
Transmission à travers une surface rugueuse: le speckle 127

4.1.
Granularité ou speckle 127

4.2.
Mise en évidence du speckle 127

4.3.
Exploitation de l'expérience 128

4.4.
Analyse de déformations par interférométrie speckle 130

CHAPITRE VIII: Applications des lasers et sécurité
1.
Applications des lasers 133

1.1.
Alignement et guidage 133

J.2.
Communications optiques 134

1.3.
Codage et stockage de l'information: l'holographie 135

1.4.
Ecriture et lecture d'informations 135

1.5.
Soudage, perçage, découpe 138

1.6.
Applications médicales : 138

2.
Métrologie LASER 140

2.1.
Mesures de faibles déplacements 140

2.2.
Mesures de distances 140

2.3.
Mesures de vitesses linéaires 142

2.4.
Mesures de vitesses angu laires 142

2.5.
Mesures de pollution atmosphérique LIDAR 143

3.
Sécurité laser 144

3.1.
Classifications des risques (source IREPA) 144

3.2.
Protections contre le rayonnement 145

Exercices corrigés sur les lasers
1.
Fabrication d'un filtre spatial 147

2.
Etude de niveaux d'énergie 148

3.
Cohérence temporelle d'un laser. J50
4.
Interféromètre Fabry-Pérot... 153

5.
Couplage d'un faisceau laser avec une fibre optique 155

Partie C
: LES FIBRES OPTIQUES
CHAPITRE IX
: Propagation de la lumière dans une fibre optique
1.
Propagation de la lumière 157

1.1.
Principe de la propagation de la lumière dans une fibre optique 157

1.2.
,fibres à saut d'indice 160

1.3.
Fibres à gradient d'indice 162

lA.
Fibres monomodes et fibres multimodes 164

2.
Théorie de l'électromagnétisme appliquée aux fibres monomodes 165

2.1.
Nécessité de cette théorie 165

2.2.
Modèle du guide d'onde plan J65
2.3.
Condition de monomodalité d'une fibre optique J69

2A.
Diamètre de mode d'une fibre monomode 171

CHAPITRE X: L'atténuation et sa mesure dans une fibre optique
1.
Qu'est-ce qu'une atténuation ? 173

1.1.
Définition 173

1.2.
Calcul de l'atténuation linéique 173

1.3.
Exemple 174

2.
Causes de l'atténuation 174

2.1.
Pertes ou diffusion de Rayleigh 175

2.2.
Pertes par absorption 176

2.3.
Pertes aux courbures 177

2.4.
Pertes aux raccordements 177

3.
Dispersion de la !tunière dans les fibres optiques 179

3.1.
Dispersion temporelle 179

3.2.
Dispersion modale 182

3.3.
Dispersion chromatique 183

4.
Mesure de l'atténuation 184

4.1.
Méthode de la puissance transmise 184

4.2.
Mesure par rétrodiffusion 184

4.3.
Etude d'une courbe de rétrodiffusion 186

CHAPITRE XI
: Fabrication et applications des fibres optiques
1.
Fabrication des fibres optiques 191

1.1.
Que faut-il fabriquer ? 191

1.2.
Fabrication des fibres composites 191

1.3.
Fabrication des fibres en silice 193

1.4.
Contrôle du profil d'indice de la fibre fabriquée 195

2.
Fibres optiques plastiques (FüP) 198

2.1.
Comparaison des caractéristiques avec les fibres silice 198

2.2.
Avantages des fibres plastiques 199

3.
Application des fibres optiques 199

3.1.
Domaines d'utilisation des fibres optiques 200

3.2.
Récapitulatif des diverses applications 204

4.
Notions d'optique intégrée 204

4.1.
Guides d'onde intégrés 204

4.2.
Commutateur et modulateur 205

4.3.
Multiplexage en longueurs d'onde 206

4.4.
Répéteur optique 206

5.
L'amplification optique 207

5.1.
Généralités 207

5.2.
Installation d'amplification optique 207

5.3.
Comparaison avec les répéteurs 208

5.4.
Perspectives d'avenir 208

Exercices corrigés sur les fibres optiques
1.
Profil d'indice 209

2.
Elargissement temporel d'une impulsion 210

3.
Couplage direct d'une diode à une fibre optique 211

4.
Bilfm énergétique d'une liaison à fibre optique 213

5.
Intervention chirurgicale avec fibre optique 214

6.
Analyse de courbes de réflectométrie 215

Index alphabétique , 218

Bibliographie 220