Table des matières

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I. Sources lumineuses et optique géométrique

1. Sources lumineuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Sources thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Lampes spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Tube fluorescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Diodes électroluminescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Filtres modificateurs du spectre visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Filtres atténuateurs ou densités neutres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Filtres antithermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Lentilles, condenseurs, miroirs, diaphragmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Lentilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Condenseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Lentilles de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Miroirs plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Diaphragmes et petits trous circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Projection sur un écran éloigné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Projection d'un petit trou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Image d'un objet transparent peu diffusant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Image d'un objet très diffusant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Expériences simples d'optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Obtention d'un faisceau de lumière parallèle par autocollimation . . . . . .

b. Vérification des lois de conjugaison pour une lentille mince convergente

c. Mesure précise de petites distances focales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Mesure de la distance focale d'une lentille mince divergente . . . . . . . . .

e. Comment reconnaître les différents verres de lunettes ? . . . . . . . . . . . . . .

6. Modèle simple de l'œil, de la loupe et du microscope . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. L'œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Loupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Quelques propriétés des objectifs photographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Plans principaux d'un téléobjectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Influence de l'ouverture sur la luminosité d'un objectif photographique

c. Influence de l'ouverture sur la profondeur de champ
    d'un objectif photographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. Aberrations des lentilles sphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. L'aberration sphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Aberration chromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9. Diaphragmes de champ et d'ouverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Mise en évidence expérimentale
    des diaphragmes de champ et d'ouverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Définitions des lucarnes et pupilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Recherche expérimentale des lucarnes et pupilles dans un cas simple . . .

d. Généralisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Lentilles de champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10. Application aux instruments d'optique réels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Étude d'une paire de jumelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II. Photodétecteurs et photométrie

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Caractéristiques d'un photodétecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Réponse spectrale d'un photodétecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Caractéristiques courant-tension de la photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Comparaison des montages électriques de base. Influence sur la linéarité

d. Étude de la linéarité par la méthode des additions . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Sensibilité et rendement quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Temps de réponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Autres détecteurs photoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Photorésistances (ou cellules photoconductrices) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Photomultiplicateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Détecteurs thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Thermopile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Détecteur pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Réponse spectrale des détecteurs photoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Rendement d'une photopile (cellule solaire) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Détecteurs d'image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Principe de fonctionnement des barrettes de photodiodes . . . . . . . . . . . .

b. Principe de fonctionnement des capteurs CCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Caractéristiques et utilisations possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Photométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Quelques définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Expériences simples de mesure d'une grandeur photométrique . . . . . . . .

c. Mesure de la luminance d'une source étendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Luminance du corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

III. Optique ondulatoire

1. Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Conditions pratiques d'observation de la diffraction de Fraunhofer . . . . .

b. Diffraction par une fente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Écrans complémentaires. Théorème de Babinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Diffraction par un motif répété régulièrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Diffraction par un très grand nombre d'objets identiques
    répartis de manière aléatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Fréquences spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. Pouvoir séparateur d'un instrument d'optique en éclairage incohérent . . .

h. Au-delà de la diffraction de Fraunhofer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Interférences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Interféromètre de Michelson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Mesures interférométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Franges d'égale épaisseur d'une lame de savon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Localisation des figures d'interférences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Interférences en lumière polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Cohérence temporelle d'une source lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. Cohérence spatiale d'une source lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Réalisation pratique d'objets diffractants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Création d'objets diffractants assistée par ordinateur . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Techniques photographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IV. Laser hélium-néon

1. Propriétés géométriques du faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Informations sur le tube laser et la géométrie du faisceau . . . . . . . . . . . .

b. Étude expérimentale du profil transverse d'intensité . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Mesure de la divergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Étude de la courbe w(z') . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Diffraction de Fraunhofer avec un laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Action des lentilles sur les faisceaux gaussiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Relations de conjugaison " des faisceaux gaussiens " . . . . . . . . . . . . . . .

b. Focalisation d'un faisceau laser à l'aide d'une lentille . . . . . . . . . . . . . . .

c. Application nettoyeur de faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Puissance lumineuse et rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Mesure de la puissance lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Estimation du rendement du tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Spectre. Cohérence temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Analyse du spectre à l'interféromètre de Michelson . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Interférence de deux lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Cohérence spatiale. Speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Cohérence spatiale d'un laser He-Ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Holographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Aspect physique et conditions d'enregistrement d'un hologramme . . . . . .

b. Image virtuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Image réelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Source conventionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Les lasers He-Ne à polarisation aléatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

V. Spectroscopie

1. Spectroscopes à fentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Limitations du pouvoir de résolution cas du prisme à vision directe . . . .

c. Étude du spectroscope à réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Mise en oeuvre d'un monochromateur à réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Spectroscopes interférentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Interféromètre de Michelson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Interféromètre de Fabry - Perot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VI. Polarisation de la lumière et optique des milieux anisotropes

1. Nature vectorielle de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Polarisation d'une onde plane quasi monochromatique . . . . . . . . . . . . . .

2. Production de lumière polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Dichroïsme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Polarisation des sources lumineuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Réflexion et réfraction à la surface d'un diélectrique . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Réflexion à la surface d'un conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Polarisation de la lumière diffusée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Polarisation par biréfringence cristalline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Milieux biréfringents cristallins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Propagation de la lumière dans un milieu biréfringent . . . . . . . . . . . . . . .

b. Action d'une lame mince à faces parallèles
    sur un faisceau polarisé rectilignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Quelques cas particuliers : lames demi-onde et quart d'onde . . . . . . . . . .

d. Détermination de l'épaisseur optique d'une lame . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Visualisation de l'état de polarisation de la lumière
    à l'intérieur d'une lame mince . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Analyse d'une lumière polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Recherche qualitative du type de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Analyse quantitative d'une onde polarisée elliptiquement . . . . . . . . . . . .

c. Utilisation d'un polariseur tournant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Milieux biréfringents non cristallins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Cristaux liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Biréfringence provoquée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Exemple de milieu biaxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Activité optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Mise en évidence de l'activité optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Pouvoir rotatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Activité naturelle de certaines substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Effet Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Annexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Fournisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

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24

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31

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35

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37

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42

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43

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46

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122

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203

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