Chapitre 2 : Lumière : source et propagation

Flashcards sous forme de questions-réponses pour réviser le chapitre sur la source et la propagation de la lumière, l'indice optique, l'optique géométrique, les lois de Snell-Descartes et la fibre optique.

Quelle est la définition physique de la lumière ?

La lumière est une onde électromagnétique, c'est-à-dire un phénomène de propagation simultanée d'un champ électrique et d'un champ magnétique.

Quelle est la valeur de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide (célérité) ?

$$c = 3 \times 10^8\,\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$$

Quelle formule relie la longueur d'onde dans le vide $\lambda_0$, la célérité $c$ et la fréquence $f$ ?

$$\lambda_0 = \frac{c}{f}$$

Dans quel intervalle de longueurs d'onde dans le vide $\lambda_0$ se situe la lumière visible ?

La lumière visible occupe un très fin domaine compris entre $380\,\text{nm}$ et $780\,\text{nm}$.

Quels sont les différents domaines de longueurs d'onde associées aux couleurs du spectre visible ?

Violet : $380 - 450\,\text{nm}$ Bleu : $450 - 500\,\text{nm}$ Vert : $500 - 550\,\text{nm}$ Jaune/Orange : $550 - 600\,\text{nm}$ Rouge : $600 - 780\,\text{nm}$

Quelle est la différence entre une source lumineuse primaire et une source lumineuse secondaire ?

Une source primaire produit la lumière elle-même, tandis qu'une source secondaire réfléchit ou diffuse la lumière provenant d'une source primaire.

À quelle condition une source lumineuse est-elle considérée comme ponctuelle ?

Une source est considérée comme ponctuelle si ses dimensions sont très inférieures à la distance d'observation. Sinon, elle est dite étendue.

Quelles sont les deux définitions équivalentes du spectre d'une source lumineuse ?

Le spectre est à la fois :

1. La figure colorée obtenue par décomposition de la lumière à travers un élément dispersif (prisme ou réseau).
2. Le graphe représentant l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

Quelle est la relation de la loi de Wien pour le rayonnement du corps noir ?

$\lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T}$ avec $b = 2898\,\mu\text{m}\cdot\text{K}$, où $\lambda_{\text{max}}$ est la longueur d'onde correspondant au maximum de puissance spectrale.

Quel type de spectre est émis par une lampe spectrale contenant une espèce chimique gazeuse excitée par un arc électrique ?

Elle émet un spectre de raies (pics d'intensité autour de fréquences bien précises), qui est caractéristique de l'atome présent dans la lampe.

Quelles sont les caractéristiques spectrales fondamentales de la lumière émise par un laser ?

La lumière d'un laser est quasi-monochromatique, caractérisée par un spectre constitué d'un unique pic extrêmement fin.

Comment est défini l'indice optique $n$ d'un milieu matériel ?

L'indice optique est le rapport entre la célérité de la lumière dans le vide $c$ et la vitesse $v$ de la lumière dans ce milieu : $n = \frac{c}{v}$ (avec $n \ge 1$).

Comment s'exprime la longueur d'onde $\lambda$ d'une lumière dans un milieu d'indice $n$ ?

$\lambda = \frac{\lambda_0}{n}$, où $\lambda_0$ est la longueur d'onde de cette lumière dans le vide.

Quelles sont les valeurs d'indice optique à retenir pour l'air, l'eau, le verre et le diamant à $\lambda = 589\,\text{nm}$ ?

Vide : $1$ Air : $1{,}00029 \approx 1{,}0$ Eau : $1{,}3$ Verre : $1{,}5$ Diamant : $2{,}4$

Que signifient les termes homogène, transparent et isotrope pour un milieu optique ?

Homogène : les propriétés physiques sont identiques en tout point. Transparent : la lumière n'est pas absorbée. Isotrope : les propriétés physiques sont identiques dans toutes les directions.

Quels sont les trois principes de base du modèle de l'optique géométrique ?

1. Propagation rectiligne de la lumière dans un milieu homogène, transparent et isotrope.
2. Indépendance des rayons lumineux (pas d'interaction entre eux).
3. Principe du retour inverse de la lumière (trajet indépendant du sens de propagation).

Quelle est la condition de validité du modèle de l'optique géométrique ?

Le modèle est valide lorsque la taille caractéristiques $a$ des obstacles rencontrés est très grande devant la longueur d'onde $\lambda$ ($a \gg \lambda$), permettant de négliger la diffraction.

Qu'appelle-t-on un dioptre et le plan d'incidence ?

Le dioptre est la surface séparant deux milieux homogènes transparents isotropes d'indices différents. Le plan d'incidence est le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre au point d'incidence.

Quelles sont les trois lois de Snell-Descartes ?

1. Les rayons incident, réfléchi et réfracté sont contenus dans le plan d'incidence.
2. Loi de la réflexion : $i_1' = -i_1$
3. Loi de la réfraction : $n_1 \sin(i_1) = n_2 \sin(i_2)$

Comment s'oriente le rayon réfracté par rapport à la normale selon le rapport des indices $n_1$ et $n_2$ ?

Si $n_2 > n_1$, le rayon réfracté se rapproche de la normale ($i_2 < i_1$). Si $n_2 < n_1$, le rayon réfracté s'éloigne de la normale ($i_2 > i_1$).

À quelles conditions se produit le phénomène de réflexion totale et quel est l'angle limite $i_{1,\text{tot}}$ ?

Le phénomène a lieu uniquement si $n_2 < n_1$ et si l'angle d'incidence vérifie $i_1 > i_{1,\text{tot}}$, où $\sin(i_{1,\text{tot}}) = \frac{n_2}{n_1}$.

Qu'est-ce que l'angle d'acceptance $\epsilon_{\text{max}}$ d'une fibre optique à saut d'indice ?

C'est l'angle d'incidence maximal par rapport à l'axe de la fibre tel que tout rayon guidé ne subit que des réflexions totales au niveau du dioptre cœur/gaine. Dans l'air, $\sin(\epsilon_{\text{max}}) = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$.

Quelle est l'expression de la dispersion intermodale $\Delta t$ dans une fibre optique de longueur $L$ ?

$$\Delta t = t_{\text{max}} - t_{\text{min}} = \frac{L}{c} \frac{n_1}{n_2} (n_1 - n_2)$$