Découvrir le laser

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Découvrir le laser

FB_Bac_98618_PhyT_S_041

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Rappels de cours

1Émission spontanée

Des atomes excités se désexcitent pour revenir à des états d’énergie inférieurs (>fiche11). Les ondes lumineuses ainsi produites sont déphasées aléatoirement, elles sont incohérentes et ne peuvent interférer (>fiche8).

2Émission stimulée : laser

 Pour obtenir une émission cohérente, il faut provoquer des désexcitations en phase. Le mot « LASER » signifie Light (lumière) Amplification (amplification) Stimulated (stimulée) Emission (émission) Radiation (radiation).


 Une première excitation (pompage optique) amène les atomes dans un état d’énergie élevée. Ils se désexcitent spontanément vers l’état métastable où ils vont rester « suffisamment » longtemps ( !). Il y a alors davantage d’atomes dans cet état que dans l’état fondamental : on parle d’inversion de population.

 Un photon de fréquence convenable stimule alors la désexcitation correspondant à l’émission d’un autre photon de même fréquence.


Amplification de l’onde lumineuse : deux miroirs dont l’un est semi-transparent sont placés aux extrémités du laser. À la sortie, une partie de l’onde émise se réfléchit et provoque l’émission d’autres photons de même fréquence.

3Gravure et lecture des CD et DVD


 Un disque comporte une surface réfléchissante en polycarbonate d’indice n> 1 dans lequel est gravée une piste constituée d’alvéoles. On nomme creux le fond de l’alvéole et plat les espaces entre les alvéoles.

 La piste est éclairée par un laser de faible ouverture numérique (faible diamètre) qui se réfléchit sur la couche métallisée. Au passage des alvéoles devant le faisceau, on observe des interférences constructives ou destructives(>fiche8) selon l’épaisseur de polycarbonate traversée.

 Le passage d’un creux à un plat ou d’un plat à un creux est codé 1 (interférences destructives). Si le faisceau est entièrement réfléchi par un creux ou un plat, on code 0 (interférences constructives).

 La diffraction (>fiche9), qui se manifeste si la longueur d’onde du laser est de l’ordre de la taille des alvéoles, limite la capacité de stockage des disques.

Méthode

Évaluer le nombre de spires d’un CD

On utilise une diode laser de longueur d’onde 780 nm pour lire un CD. Les alvéoles ont une profondeur de 0,167 µm et une largeur de 0,67 µm. Le CD est gravé sur environ 5 cm de large et les pistes sont écartées d’une distance de . L’indice du polycarbonate est n= 1,55.

1. À quel domaine des ondes E. M. l’onde émise par le lecteur appartient-elle ?

2. Calculer la longueur d’onde dans le polycarbonate.

3. Évaluer le nombre de pistes que l’on peut graver sur le disque.

Conseils

1. Il faut retenir que les limites du visible sont 400 nm et 800 nm.

2.λ dépend de n. La vitesse de la lumière dans le polycarbonate vaut .

Solution

1. La longueur d’onde 780 nm est à la limite de l’infrarouge.

2..

3. Il s’agit en fait d’une seule piste en spirale et non de cercles concentriques. Une piste fait 0,67 µm de large et est espacée de 1,67 m de la suivante. Sur les 5 cm utiles du CD on grave environ : (20 000 spires).

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