Ondes et particules
Corrigé
3
Observer
pchT_1306_05_00C
Asie • Juin 2013
Exercice 1 • 7,5 points
La technique du disque LASER repose sur une méthode optique : un faisceau de lumière cohérente (LASER) vient frapper le disque en rotation. Des cavités de largeur 0,6 µm, dont la longueur oscille entre 0,833 µm et 3,56 µm, sont creusées à la surface réfléchissante du disque, produisant des variations binaires de l’intensité lumineuse du rayon réfléchi qui sont enregistrées par un capteur.
Plus précisément, lorsque le faisceau passe de la surface plane (plat) à une cavité (creux), il se produit des interférences et la valeur binaire 1 est attribuée. Au contraire, tant que le faisceau reste dans un creux ou sur un plat, le capteur détecte le même faisceau original et fait correspondre à cet état la valeur binaire 0.
L’information binaire peut être ensuite transformée en un signal analogique par un convertisseur.
1. Le LASER, faisceau de lumière cohérente
La lumière émise par la source LASER provient de l’émission stimulée d’atomes excités par pompage optique. On a représenté sur le document 1 deux niveaux d’énergie d’un atome présent dans la cavité de la source LASER.
La relation entre la fréquence ν de la radiation lumineuse et l’énergie E du photon est E = h . ν.
Document 1
Données
Constante de Planck : h = 6,62 × 10–34 J . s.
Célérité de la lumière : c = 3,00 × 108 m . s–1
1 eV = 1,60 × 10–19 J.
2. Stockage des informations sur le disque LASER
Document 2
Cette tension forme-t-elle un signal numérique ou analogique ? Justifier la réponse.
On a représenté sur le document 3, la tension envoyée par le lecteur CD aux bornes du haut-parleur qui diffère sensiblement de la précédente tension enregistrée par le microphone.
Document 3
3. Lecture des informations sur le disque LASER
Le document 4 représente le système de lecture du disque.
Le faisceau lumineux, constitué d’une lumière monochromatique de longueur d’onde λ0 dans le vide, est émis par la diode LASER. Il traverse une couche protectrice transparente en polycarbonate dont l’indice est n = 1,55, puis il est réfléchi par le disque et détecté par la photodiode.
Lors de la détection d’un 0, le faisceau est entièrement réfléchi par un plat ou par un creux (figure 1 document 4). Tous les rayons composant le faisceau ont donc parcouru le même trajet. Lors de la détection d’un 1, le faisceau laser passe d’un plat à un creux ou inversement (figure 2 document 4). Une partie du faisceau est alors réfléchie par le plat et l’autre partie par le creux. Tous les rayons composant le faisceau n’ont donc pas parcouru le même trajet.
On note ∆ L la différence de parcours des deux parties du faisceau qui se superposent et interfèrent lors de leur détection.
Dans le polycarbonate, la longueur d’onde de la lumière monochromatique constituant le faisceau est .
Document 4
4. Intérêt de la technologie Blu-Ray
La quantité NA = sin α est appelée « ouverture numérique ».
α est l’angle d’ouverture du demi-cône formé par le faisceau laser (voir document 5).
Le diamètre D du spot sur l’écran s’exprime alors par la formule .
Document 5
Document 6
On a donné sur le document 6 les valeurs de l’ouverture numérique, de la longueur d’onde et de la distance l qui sépare deux lignes de données sur le disque.
Calculer le débit binaire de données numériques dans le cas de la lecture d’une vidéo HD (en Mibit/s).
Données : 1 Gio = 230 octets 1 octet = 8 bits 1 Mibit = 220 bits.
Notions et compétences en jeu
Savoir extraire et exploiter des documents • Connaître l’émission stimulée • Savoir utiliser les propriétés du LASER • Savoir effectuer une CAN et un échantillonnage • Connaître le phénomène des interférences • Savoir coder des données numériques.
Conseils du correcteur
Partie 2
Partie 3
Partie 4
