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Fiche explicative de la leçon : Propriétés des rayonnements laser Physique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire les propriétés des rayonnements laser, et à utiliser des termes techniques pour se référer à ces propriétés.

Nous allons voir que la lumière provenant des lasers est différente de celles provenant d’autres sources de lumière, comme une ampoule ou le Soleil. Nous allons identifier et décrire les propriétés des rayonnements laser, qui rendent ce type de lumière si particulière.

Avant de considérer la lumière provenant d’un laser, considérons un type de lumière plus familier, comme la lumière émise par une ampoule à incandescence. Si nous pouvions voir les photons émis individuellement par une ampoule, nous verrions un grand nombre de photons avec beaucoup de longueurs d’onde différentes. Cela est représenté sur la figure suivante.

Sur cette figure, nous avons représenté quelques-unes des longueurs d’onde émises par une ampoule. Nous voyons que la gamme d’onde émis par l’ampoule est très large. Par exemple, l’onde A possède une longueur d’onde beaucoup plus grande que l’onde C. En fait, pour certaines des ondes provenant de l’ampoule, il n’est même pas possible de déterminer une longueur d’onde. Par exemple, la longueur d’onde de l’onde B n’est pas mesurable.

De plus, nous voyons que tous les photons ne se déplacent pas dans la même direction. La lumière provenant de l’ampoule varie donc en termes de longueur d’onde, de fréquence et de direction.

Comparons maintenant cette lumière à la lumière émise par un laser. Sur la figure suivante, le laser est représenté par ce rectangle et il émet une lumière rouge. Il y a plusieurs choses que nous pouvons identifier ici qui font que la lumière laser est particulière.

Par exemple, nous voyons que tous les photons émis par le laser possèdent la même longueur d’onde et que l’amplitude, ou la hauteur, de chaque onde est la même. Chaque photon émis par le laser est également « en phase » avec les autres, ce qui signifie que les crêtes et les creux de toutes les ondes sont alignés les uns avec les autres. Une lumière qui se comporte de cette manière est appelée lumière « cohérente ». Il faut noter aussi que tous les photons du laser se déplacent dans la même direction.

Définition : Lumière cohérente

Une lumière dont tous les photons possèdent la même longueur d’onde et qui sont en phase est appelée « lumière cohérente ».

Nous voyons que la lumière de l’ampoule que nous avons considérée précédemment ne se comporte pas de la même manière que la lumière provenant du laser. La lumière de cette ampoule est donc une lumière « incohérente ».

La cohérence est une caractéristique de la lumière laser.

Exemple 1: Identifier le profil des ondes qui composent la lumière incohérente

La figure représente le profil résultant de la superposition des ondes émises par une source de lumière incandescente. Laquelle des images suivantes représente le mieux les profils d’un groupe d’ondes émises par cette source de lumière incandescente?

Réponse

Dans cette question, on nous donne un profil d’onde et on nous demande d’identifier quel groupe d’ondes pourrait se superposer pour donner ce profil.

Nous voulons déterminer lequel des groupes d’ondes donnés, I ou II, pourrait se superposer pour obtenir le profil d’onde rouge représenté en haut.

Nous pouvons voir que le profil de l’onde résultante que nous cherchons à obtenir ne possède pas vraiment de longueur d’onde. Nous voyons également que l’amplitude de l’onde, sa hauteur, varie d’une crête à l’autre. Cette onde semble très irrégulière.

Commençons par regarder ce qui se passe si nous superposons le groupe d’ondes donné en I. Ces ondes ont toutes la même amplitude, la même longueur d’onde et elles sont toutes en phase. Donc en les superposant, il faut s’attendre à ce que le profil de l’onde résultante soit également de la même longueur d’onde et d’amplitude constante. La figure suivante représente deux ondes en phase et de même amplitude ainsi que leur superposition en une onde résultante de plus grande amplitude.

Il faut noter que l’onde résultante n’a pas la même amplitude que les deux ondes initiales. Par exemple, sur cette figure, les deux ondes initiales sont en phase et ont toutes les deux une amplitude 𝐴. L’onde représentée en dessous est l’onde résultante obtenue en superposant les deux ondes du dessus.

On voit que l’onde résultante est en phase avec les deux ondes initiales et a la même longueur d’onde. Cependant, l’amplitude de l’onde résultante est égale à la somme des amplitudes des ondes initiales. En effet, tous les creux et crêtes vont se superposer pour créer une onde avec des creux plus bas et des crêtes plus hautes. Ici, comme chaque onde initiale a une amplitude 𝐴, l’amplitude de l’onde résultante est 𝐴+𝐴=2𝐴. Si, par exemple, nous avions superposé trois ondes en phase d’amplitude 𝐴, alors l’amplitude de l’onde résultante aurait été 𝐴+𝐴+𝐴=3𝐴.

Les ondes du groupe I vont produire un faisceau lumineux qui sera presque cohérent, comme la lumière laser.

Mais les ondes du groupe II ont toutes des longueurs d’onde et des amplitudes différentes. Le profil de l’onde résultant de la superposition de ces ondes sera donc irrégulier.

Cela se voit car chaque onde a une longueur d’onde différente et les amplitudes vont donc s’additionner différemment en chaque point. Le profil de l’onde créée par le groupe II aura donc une amplitude irrégulière.

Il faut noter que chacune des ondes du groupe II a une amplitude et une longueur d’onde cohérentes. Mais comme ces ondes sont toutes différentes, elles ne se superposent pas de manière cohérente.

Cela signifie donc que le profil d’onde obtenu par superposition des ondes du groupe II va ressembler au profil d’onde que nous cherchons à reproduire ici, et donc la bonne réponse est la réponse II.

Une méthode intéressante pour comparer les lumières cohérentes et incohérentes consiste à représenter l’intensité de la lumière, 𝐼, en fonction de la longueur d’onde de la lumière, 𝜆, sur un graphique. Nous avons ici un graphique de ce type, avec deux sources de lumière différentes représentées par des courbes de couleurs différentes.

Regardons d’abord la courbe orange, qui correspond à la lumière émise par une ampoule à incandescence. Nous voyons que cette courbe est assez évasée, ce qui nous indique que l’ampoule émet beaucoup de longueurs d’onde différentes. C’est normal car la lumière émise par une ampoule est incohérente.

La courbe rouge du graphique représente la lumière émise par un laser. Nous voyons que la base de cette courbe est beaucoup plus resserrée et que l’intensité du pic est beaucoup plus élevée. Cela nous indique que la gamme des longueurs d’onde émise par le laser est beaucoup plus petite que celle émise par la lumière incohérente de l’ampoule. En effet, un laser émet une lumière cohérente, c’est-à-dire que tous les photons émis par le laser ont la même longueur d’onde.

Si le laser produisait une lumière parfaitement cohérente, alors la courbe représentant l’intensité en fonction de la longueur d’onde se résumerait à une droite verticale. En effet, dans ce cas, le laser n’émettrait de la lumière qu’avec une seule longueur d’onde. Mais en réalité, les lasers ne produisent pas de la lumière parfaitement cohérente et la courbe représentant l’intensité en fonction de la longueur d’onde est légèrement étalée.

Si un laser parfait pouvait émettre une lumière contenant une seule longueur d’onde, la lumière produite serait appelée « monochromatique ». Mais la lumière produite par un laser contient un petit ensemble de longueurs d’onde, elle n’est donc pas parfaitement monochromatique.

Définition : Lumière monochromatique

Une lumière qui est composée de photons ayant une seule longueur d’onde, ou alors d’une très petite gamme de longueurs d’onde, est appelée « monochromatique ».

Même si la lumière produite par les lasers réels ne contient pas exactement une seule longueur d’onde, la lumière laser est tout de même considérée comme étant monochromatique. Dans ce cas, le terme monochromatique se réfère au fait que la lumière contient « une très petite gamme de longueurs d’ondes ».

La lumière laser est donc à la fois cohérente et monochromatique. C’est une lumière très différente de celles provenant d’autres sources de lumière comme les ampoules ou le Soleil. Ces sources de lumière produisent une lumière incohérente et donc la gamme de leurs longueurs d’ondes est très large.

Exemple 2: Identifier les courbes représentant l’intensité en fonction de la longueur d’onde pour des lumières cohérentes et incohérentes

Le graphique représente l’intensité de la lumière émise en fonction de la longueur d’onde pour deux sources de lumière différentes. L’intensité de la lumière émise par les deux sources atteint un maximum pour une certaine longueur d’onde et l’intensité décroît à mesure que l’on s’éloigne de cette longueur d’onde.

  1. Quelle courbe correspond à la lumière émise par une source de lumière incohérente?
  2. Quelle courbe correspond à la lumière émise par une source de lumière qui est plus chromatique?

Réponse

Partie 1

Dans cette question, on nous donne un graphique qui représente l’intensité de la lumière (exprimée en watts par mètre carré ) en fonction de la longueur d’onde de la lumière (exprimée en nanomètres ). Ce graphique nous indique en fait la quantité de lumière émise pour chaque longueur d’onde, pour les deux sources de lumière.

On voit que ces deux courbes atteignent un maximum pour la même longueur d’onde. Mais la source de lumière associée à la courbe bleue possède une gamme de longueurs d’onde beaucoup plus large que celle associée à la courbe rouge. Les longueurs d’ondes de la courbe bleue sont plus étalées que les longueurs d’ondes de la courbe rouge.

Il y a deux différences principales entre ces courbes. Premièrement, la base de la courbe bleue est beaucoup plus large que celle de la courbe rouge. C’est-à-dire que le spectre émis par la lumière bleue, c’est-à-dire la différence entre les longueurs d’onde maximale et minimale, est plus grande que celui de la lumière rouge. Une autre différence très importante est que la pente de la courbe bleue varie peu, sauf à l’approche de la longueur d’onde correspondant au maximum, alors que la pente de la courbe rouge varie fortement à la base de la courbe et au niveau du maximum. Ceci nous indique que la source correspondant à la courbe bleue émet une gamme de longueurs d’onde beaucoup plus large que la source correspondant à la courbe rouge. Ces différences sont représentées sur la figure suivante.

Pour répondre à la première question, nous cherchons à identifier laquelle des deux courbes correspond à une lumière émise par une source de lumière incohérente.

Nous avons vu qu’une source de lumière est cohérente si elle émet une lumière constituée de photons ayant tous la même longueur d’onde. Une lumière incohérente est donc une lumière composée de photons ayant une large gamme de longueurs d’onde.

Sur le type de graphique que nous avons ici, une source de lumière incohérente aura une courbe avec une base plus large et une pente qui varie peu (en s’éloignant de la longueur d’onde correspondant au maximum). En effet, une source de lumière incohérente possède une large gamme de longueurs d’onde. La courbe bleue représente donc la lumière émise par une source de lumière incohérente, car la base de cette courbe est beaucoup plus large que celle de la courbe rouge. Cette courbe correspond à une lumière avec une large gamme de longueurs d’onde, qui est donc une lumière incohérente.

Partie 2

Dans la deuxième question, on nous demande d’identifier laquelle des deux courbes correspond à une lumière émise par une source de lumière monochromatique.

Rappelons qu’une lumière monochromatique est une lumière composée d’une seule longueur d’onde ou constituée d’une très petite gamme de longueurs d’onde. Sur le type de graphique que nous avons ici, une source de lumière monochromatique sera donc représentée par une courbe très étroite, car cette lumière contient un très petit nombre de longueurs d’onde.

En regardant le graphique, nous pouvons donc voir que la source de lumière monochromatique correspond à la courbe rouge.

Exemple 3: Comparer des groupes d’ondes ayant des courbes d’intensité-longueur d’onde différentes

Le graphique représente les variations d’intensité de la lumière émise par trois sources de lumière laser en fonction de la longueur d’onde. L’intensité de la lumière laser émise est maximale pour une certaine longueur d’onde et décroit à mesure que l’on s’éloigne de cette longueur d’onde. Les figures I et II représentent des groupes d’ondes émises par deux des sources lumineuses. Le figure II représente les ondes émises par la source de lumière correspondante à la courbe de spectre bleue sur le graphique. Quelle courbe correspond aux ondes représentées sur la figure I?

Réponse

Dans cet exemple, nous avons trois courbes représentant les spectres (les gammes de longueurs d’onde) de lumières émises par trois sources de lumière laser différentes. Nous voyons que la largeur à la base de chacune de ces courbes est la même, ce qui nous indique que la gamme de longueurs d’onde émises par chaque laser est la même. Nous pouvons également voir que la longueur d’onde correspondant à l’intensité maximale est la même pour les trois lasers.

Cependant, les pentes des courbes varient différemment selon les intensités maximales. Par exemple, l’intensité maximale de la courbe rouge est beaucoup plus grande que celle de la courbe verte. Comme la largeur à la base des courbes est la même mais que le maximum de la courbe rouge est beaucoup plus élevé, la pente de la courbe rouge varie beaucoup plus fortement que celle de la courbe verte.

Cela signifie que la lumière représentée par le spectre rouge est beaucoup plus forte pour les couleurs de longueurs d’onde proches de la longueur d’onde associée au maximum d’intensité, que pour les couleurs de longueurs d’onde maximum et minimum. Cependant, pour la lumière représentée par le spectre vert, la différence d’intensité entre les couleurs de longueurs d’onde proches de la longueur associée à l’intensité maximale et les couleurs de longueurs d’onde maximale et minimale est très inférieure à celle du spectre rouge. Le spectre rouge est plus proche de la représentation de la lumière monochromatique que le spectre vert.

On nous présente ensuite les groupes d’ondes qui composent la lumière provenant de chacune des trois sources lumineuses. On nous dit que le groupe d’ondes de la figure II, le deuxième groupe d’ondes, est émis par la source lumineuse représentée par la courbe bleue. On voit que les longueurs d’ondes de la figure II varient peu. Par exemple, la longueur d’onde de l’onde noire en bas est légèrement plus grande que celle de l’onde rouge en haut. Nous voyons également que les déplacements initiaux des ondes sont différents;les crêtes ne sont donc pas toutes parfaitement alignées. Nous pouvons le voir plus précisément sur la figure ci-dessous, où nous avons encadré les crêtes de chaque onde pour voir qu’elles ne sont pas parfaitement alignées.

L’intensité de l’onde résultant de la superposition de ces ondes ne sera donc pas aussi grande que si toutes les ondes avaient la même longueur d’onde et étaient en phase. Nous savons qu’une fois superposées, ces ondes ont une intensité représentée par le spectre bleu.

Considérons maintenant la figure I. Ces ondes ont des longueurs d’ondes très différentes les unes des autres et les déplacements initiaux des ondes sont également très différents. On peut le voir plus précisément sur la figure suivante.

Lorsque l’on superpose ces ondes, l’intensité du maximum sera donc plus petite que l’intensité du maximum des ondes de la figure II. Cela est dû au fait que les longueurs d’ondes de la figure I sont tellement différentes qu’aucune ne peut être prédominante dans l’onde résultante.

Nous savons donc que l’intensité de la courbe associée à la figure I doit être inférieure à celle de la courbe bleue associée à la figure II. Les ondes lumineuses de la figure I sont donc représentées par la courbe verte.

Notons que pour obtenir la lumière représentée par la courbe rouge sur ce graphique, il faudrait un groupe constitué d’ondes ayant toutes la même longueur d’onde (ou qui soient toutes très proches de la même longueur d’onde). Ces ondes devraient également toutes être en phase, de sorte que l’amplitude de l’onde résultante soit beaucoup plus grande que l’amplitude de chaque onde individuelle.

Nous pouvons identifier une autre propriété des rayonnements laser en considérant ce qui arrive à la lumière laser lorsqu’elle se déplace à travers l’espace. Considérons de nouveau une ampoule et un laser, afin de voir ce qui différencie ces deux sources de lumière.

Regardons tout d’abord une coupe du faisceau de lumière provenant de l’ampoule. Regardons la lumière émise sur la droite de l’ampoule;nous pouvons voir que même si tous les photons se déplacent vers la droite, ils se déplacent tous dans des directions légèrement différentes. Le faisceau de lumière va donc s’élargir à mesure qu’il s’éloigne de l’ampoule.

Mais ce que nous observons pour la lumière provenant du laser est différent. Ici, les photons se déplacent tous dans la même direction, parallèlement au laser. Le faisceau lumineux ne va donc pas s’élargir. Au contraire, la lumière va rester concentrée en un faisceau très mince.

Lorsque une lumière se comporte de cette manière, on dit qu’elle est « collimatée ». La largeur d’un faisceau de lumière parfaitement collimaté reste constante lorsque le faisceau se déplace dans l’espace.

Définition : Lumière collimatée

Un faisceau lumineux est « collimaté » si sa largeur reste constante lorsqu’il se déplace dans l’espace.

La lumière provenant de l’ampoule n’est pas collimatée car chaque photon se déplace dans une direction différente, ce qui a pour conséquence d’élargir le faisceau de lumière. La lumière laser est collimatée car tous les photons émis gardent une direction identique à celle qu’ils avaient initialement. Les photons laser sont en fait émis parallèlement les uns aux autres et il n’y a donc aucun élargissement du faisceau.

L’atténuation est une propriété de la lumière qui est liée à la collimation. Le phénomène d’atténuation correspond à la perte d’intensité de la lumière à mesure que le faisceau s’éloigne de sa source.

Définition : Lumière atténuée

On dit qu’un faisceau de lumière « s’atténue » si l’intensité de la lumière diminue à mesure qu’elle se déplace dans l’espace. On parle alors de faisceau de lumière atténué.

Considérons d’abord une source de lumière laser. Soit 𝐼, l’intensité de la lumière quand elle quitte le laser, et 𝐼, l’intensité de la lumière à une distance de 1 m. L’intensité de la lumière peut s’interpréter comme le nombre de photons présents dans une zone donnée. Plus la densité de photons est élevée, plus l’intensité de la lumière est élevée. On dira que la lumière s’atténue si la densité de photons, et donc l’intensité du faisceau, diminue lorsque le faisceau se déplace.

Sur la figure suivante, nous pouvons voir que tous les photons du faisceau laser sont émis parallèlement. Nous avons vu que cela signifie que le faisceau laser ne s’élargit pas lorsqu’il se déplace;il reste collimaté.

Comme le faisceau laser est finement collimaté, le nombre de photons reste le même tout le long du faisceau. En particulier, cela signifie que l’intensité de la lumière est la même au début et à 1 m de la source. Pour le laser, nous avons donc 𝐼=𝐼. On peut dire que le faisceau laser ne subit aucune atténuation.

Considérons maintenant une ampoule à incandescence. Appelons de nouveau l’intensité de la lumière au niveau de l’ampoule, 𝐼, et l’intensité de la lumière à une distance de 1 m, 𝐼.

Sur la figure suivante, nous avons une ampoule et une section de la lumière émise. Nous pouvons voir que les photons émis par l’ampoule se déplacent tous dans des directions différentes. Cela signifie qu’au fur et à mesure que les photons s’éloignent de l’ampoule, ils se dispersent, ce qui a pour effet de créer un faisceau qui n’est pas collimaté. Les intensités à une distance de 0 m et 1 m sont indiquées sur la figure respectivement par 𝐼 et 𝐼.

Lorsqu’ils sont près de l’ampoule, les photons sont plus proches les uns des autres et à mesure qu’ils s’éloignent de l’ampoule, un même nombre de photons occupe un espace plus important. Cela signifie que lorsque le faisceau s’éloigne de l’ampoule, l’intensité du faisceau diminue. Autrement dit, 𝐼<𝐼.

Exemple 4: Explorer les phénomènes de collimation et d’atténuation pour différentes sources de lumière

La figure représente les faisceaux émis par une source de lumière laser rouge et une source de lumière blanche à incandescence.

  1. Pour quelle source de lumière le faisceau est-il le plus collimaté?
  2. Pour la source de lumière laser rouge, comment peut-on comparer l’intensité lumineuse 𝐼 à la source du faisceau et l’intensité lumineuse du faisceau 𝐼 à une distance 𝑑 de la source?
  3. Pour la source de lumière blanche incandescente, comment peut-on comparer l’intensité lumineuse 𝐼 à la source du faisceau et l’intensité lumineuse du faisceau 𝐼 à une distance 𝑑 de la source?
  4. Pour la source de lumière laser rouge, comment peut-on comparer l’intensité lumineuse du faisceau 𝐼 à une distance 𝑑 de la source et l’intensité lumineuse du faisceau 𝐼 à une distance 𝑑 de la source?
  5. Pour l’intensité de la lumière blanche incandescente, comment peut-on comparer l’intensité lumineuse 𝐼 du faisceau à une distance 𝑑 de la source et l’intensité lumineuse du faisceau 𝐼 à une distance 𝑑 de la source?

Réponse

Partie 1

Dans cette première question, on nous demande d’identifier laquelle des sources de lumière représentées ci-dessus produit le faisceau le plus collimaté. Rappelons qu’un faisceau de lumière collimaté est un faisceau qui ne s’élargit pas lorsqu’il se déplace;la lumière est donc concentrée dans un faisceau de largeur constante.

Sur la figure, nous pouvons voir que la lumière blanche incandescente se disperse au fur et à mesure qu’elle se déplace. Cela s’explique parce que les photons émis se déplacent dans des directions différentes depuis la source lumineuse et ils ne sont donc pas concentrés dans un faisceau de petite largeur.

Par opposition, la lumière produite par le laser rouge reste alignée et crée un faisceau très mince quand elle se déplace. Cela s’explique parce que tous les photons produits par le laser se déplacent dans la même direction, parallèlement au laser, depuis la source. La source de lumière laser rouge produit donc le faisceau le plus collimaté ici.

Partie 2

Dans cette question, on nous demande de comparer l’intensité lumineuse au niveau de la source du laser rouge et l’intensité lumineuse après une distance 𝑑, comme indiqué sur la figure.

L’important ici est de se souvenir que le laser produit un faisceau collimaté, c’est-à-dire que les photons du faisceau ne se dispersent pas et restent concentrés en un faisceau mince. Cela signifie que l’intensité du faisceau, que nous pouvons assimiler à la densité de photons dans un certain espace, ne change pas lorsque le faisceau se déplace.

Comme les photons restent dans un faisceau mince de largeur constante, la densité de photons est la même au niveau de la source de lumière et après une distance 𝑑. En utilisant les notations de la question, on peut donc dire que 𝐼=𝐼.

Partie 3

Dans cette question, on nous demande également de comparer l’intensité lumineuse à la source et l’intensité lumineuse à une distance 𝑑, mais pour la lumière blanche incandescente et non plus pour la lumière laser rouge.

Alors que le laser produit un faisceau collimaté, la lumière incandescente produit, elle, un faisceau qui se disperse à mesure qu’il s’éloigne de la source. Dès leurs émissions, les photons se déplacent tous avec des directions différentes, c’est pourquoi la largeur du faisceau ne fait qu’augmenter à mesure que la lumière se déplace. Cela signifie que la densité de photons diminue le long du faisceau.

L’intensité lumineuse du faisceau diminue donc à mesure que le faisceau se déplace et se disperse. Cela signifie que, pour la lumière blanche incandescente, nous avons 𝐼>𝐼.

Partie 4

Dans cette question, on nous demande à nouveau de considérer l’intensité du faisceau laser, mais cette fois à des distances 𝑑 et 𝑑. À ces distances, les intensités du faisceau sont respectivement 𝐼 et 𝐼.

De nouveau, nous pouvons voir que, comme le laser produit un faisceau collimaté, la densité de photons ne change pas le long du faisceau laser. Plus particulièrement, à une distance 𝑑, la largeur du faisceau est la même qu’à une distance 𝑑.

Cela signifie que l’intensité lumineuse du faisceau laser ne change pas et nous avons donc 𝐼=𝐼.

Partie 5

Pour la lumière blanche incandescente, le faisceau lumineux s’élargit à mesure qu’il se déplace. Le faisceau est donc plus large à une distance 𝑑 qu’à une distance 𝑑, mais le nombre de photons dans le faisceau ne change pas.

Ceci nous indique que la densité de photons diminue au fur et à mesure que le faisceau se déplace de 𝑑 à 𝑑. L’intensité lumineuse du faisceau continue donc de diminuer à mesure que le faisceau se déplace et nous savons que 𝐼<𝐼. On peut dire de manière équivalente que 𝐼>𝐼.

Nous allons maintenant voir comment il est possible d’observer la lumière laser.

Pour que nos yeux puissent voir une lumière quelle qu’elle soit, les photons provenant de cette source de lumière doivent atteindre nos yeux. Pour une source de lumière incohérente, cela se produit naturellement. Par exemple, les photons provenant d’une ampoule se déplacent tous dans des directions différentes et il est fort possible que certains d’entre eux atteignent nos yeux. Nous sommes donc capables de voir une grande partie de la lumière émise par l’ampoule.

Cependant, le processus n’est pas aussi simple pour les lasers à cause de ses propriétés particulières. Tous les photons provenant de la lumière laser se déplacent dans la même direction, parallèlement au laser. Donc pour que les photons atteignent nos yeux, il faudrait regarder le laser en face. Attention, notez bien que vous ne devez jamais essayer de faire cela;regarder une lumière laser en face peut endommager les yeux de manière irréversible car cette lumière possède une très forte intensité.

Mais si nous regardons une lumière laser de côté, avec un certain angle, aucun photon du faisceau ne peut atteindre nos yeux. Cela veut dire que, vu de côté, le laser serait complètement invisible pour nous.

La seule raison pour laquelle nous pouvons parfois observer un faisceau laser est due à un phénomène appelé « diffusion ».

Pour comprendre ce phénomène, considérons deux lasers différents. Le premier laser est le même que celui dont nous avons déjà parlé. Le deuxième laser émet une lumière verte au lieu d’une lumière rouge. Ces lasers sont représentés sur la figure suivante. Nous regardons ces deux lasers de côté. Cela signifie que les photons des faisceaux laser se déplacent perpendiculairement à la direction dans laquelle se fait l’observation.

Dans le cas représenté ici, le laser rouge apparaît comme un faisceau continu de lumière rouge. Mais pour le laser vert, nous ne voyons que quelques points de lumière verte.

La différence d’apparence des deux faisceaux laser provient de l’importante de la diffusion subie par chaque faisceau.

Considérons d’abord uniquement le rayon laser rouge. Nous avons vu qu’un laser produit une lumière collimatée et donc que toute la lumière se déplace de gauche à droite sur la figure. Cependant, si la lumière était parfaitement collimatée, il ne serait pas possible de voir le faisceau laser, car aucun photon du faisceau ne pourrait atteindre nos yeux.

Nous pouvons en fait voir le faisceau laser parce que certains photons se diffusent vers nos yeux. C’est-à-dire que certains des photons entrent en contact avec des obstacles situés sur la trajectoire du faisceau, comme une molécule d’air ou de la vapeur d’eau, et « rebondissent » dessus. Voici un exemple ci-dessous.

Ici, nous avons un photon, associé à une longueur d’onde rouge, qui se déplace dans l’air de gauche à droite. Le photon interagit avec une molécule de vapeur d’eau. Cela a pour conséquence de modifier la direction du photon et, ici, de rediriger le photon vers l’œil de l’observateur. Cela nous permet d’observer le faisceau laser.

Dans le cas du laser rouge, on peut observer l’ensemble du faisceau lumineux. Cela signifie qu’il y a de nombreux phénomènes de diffusion et que beaucoup de photons sont redirigés vers nos yeux. C’est ce qui est représenté sur la figure ci-dessous, où nous voyons que de nombreux photons de longueur d’onde rouge sont diffusés vers notre œil.

Cela peut être dû au fait que le laser est émis dans un environnement très humide. Il y a donc beaucoup de vapeur d’eau dans l’air et donc beaucoup de molécules pouvant diffuser le faisceau laser.

Si nous considérons maintenant le laser vert, il n’est pas possible de voir tout le faisceau. Nous ne voyons en fait que quelques points de lumière verte. Cela veut donc dire qu’il y a peu de phénomènes de diffusion par comparaison au cas du faisceau rouge.

Le laser vert est représenté sur la figure suivante et nous pouvons voir que seuls quelques photons de longueur d’onde verte sont diffusés vers l’œil de l’observateur. Il n’est donc pas possible d’observer l’ensemble du faisceau mais seulement une partie de la lumière de manière ponctuelle.

Seuls quelques points du faisceau vert sont diffusés vers notre œil et c’est ce qui nous permet d’observer la lumière laser verte. Pour les autres points sur la trajectoire du laser vert, il n’y a aucune diffusion de la lumière ou alors la lumière n’est pas diffusée dans la direction de notre œil. Donc, au final, il y a très peu de diffusion le long de la trajectoire du laser vert.

Exemple 5: Expliquer l’apparence d’un faisceau laser

La figure représente le faisceau émis par une source de lumière laser verte. Le faisceau est observé perpendiculairement à son déplacement. Laquelle des réponses suivantes explique le mieux pourquoi le faisceau vert semble être constitué d’un ensemble de particules ponctuelles?

  1. Les particules ponctuelles qui sont observées correspondent à des électrons ionisés par le faisceau laser.
  2. Les particules ponctuelles qui sont observées correspondent aux photons composant le faisceau, et l’intensité du faisceau est tellement faible que l’espace entre les photons est très grand.
  3. Une grande partie de la lumière émise se déplace parallèlement au faisceau et seuls quelques rayons sont diffusés de manière suffisante pour être redirigés perpendiculairement à la direction du faisceau.
  4. Le faisceau produit un motif d’interférence avec des zones claires et sombres.
  5. Le faisceau produit une onde longitudinale.

Réponse

Dans cette question, nous avons une figure représentant un faisceau laser et on nous demande d’identifier laquelle des affirmations données permet d’expliquer l’apparence du laser. Notons que nous n’observons pas ici un vrai faisceau de lumière. Au lieu de cela, nous avons seulement une série de points verts le long de la trajectoire du laser.

Passons en revue chacune des propositions et voyons si elles peuvent expliquer l’apparence du laser.

La proposition A suggère que les particules ponctuelles que nous voyons sont des électrons qui ont été ionisés par le faisceau laser. Cela voudrait dire que nous sommes capables d’observer des électrons. Les électrons étant des particules subatomiques, ils sont beaucoup trop petits pour être visibles par nos yeux. Cette proposition ne permet donc pas d’expliquer l’apparence du faisceau laser ici.

La proposition B suggère que les points lumineux que nous voyons correspondent aux photons du faisceau et que ces photons sont peu nombreux car l’intensité du faisceau est faible. On devrait en fait s’attendre à ce que les photons se déplacent parallèlement au laser et donc qu’ils ne puissent pas atteindre nos yeux selon cette trajectoire. Cette explication ne convient donc pas pour expliquer pourquoi nous voyons le faisceau de cette manière.

La proposition C suggère que la plupart des photons se déplacent parallèlement au faisceau mais que certains photons sont diffusés de manière suffisante pour atteindre nos yeux. C’est une bonne manière d’expliquer pourquoi nous voyons le faisceau ainsi. La plupart des photons se déplacent parallèlement au faisceau et, par conséquent, nous ne les voyons pas. Cependant, sur la trajectoire du faisceau, quelques photons rencontrent, par exemple, une molécule d’air et sont diffusés vers nos yeux pour que nous puissions les voir. Cela explique que nous ne voyons que quelques particules de lumière du faisceau de manière ponctuelle. Jusqu’à présent, c’est l’explication la plus probable pour expliquer l’apparence du faisceau, mais regardons aussi les propositions restantes.

La proposition D suggère que le faisceau produit un motif d’interférence avec des zones claires et sombres. Les motifs d’interférence ne peuvent pas être observés lorsqu’un faisceau de lumière se déplace;ces motifs se créent seulement lorsque la lumière rencontre un obstacle. Cette explication ne convient donc pas pour expliquer la manière dont nous observons la lumière.

La proposition E suggère que l’apparence du faisceau est due au fait que le faisceau laser produit une onde longitudinale. Le terme « longitudinal » nous renseigne sur la direction de propagation d’une onde mais pas sur son apparence. Cette proposition ne peut donc pas expliquer pourquoi nous voyons le laser de cette manière.

Après avoir passé en revue toutes les propositions, c’est donc la proposition C qui explique le mieux l’apparence du faisceau.

Il faut noter qu’un laser peut être totalement invisible pour nos yeux mais tout de même subir beaucoup de diffusion. C’est notamment le cas si le laser produit une lumière dont la longueur d’onde se situe en dehors du spectre visible, telle que les micro-ondes ou les rayons X.

Dans ce cas, il n’est pas possible d’apprécier la quantité de diffusion subie par le faisceau selon la quantité de lumière que nous pouvons observer. Il se peut que le faisceau soit diffusé de manière importante vers notre œil, mais nous ne pouvons percevoir aucune de cette lumière car la longueur d’onde associée est trop longue ou trop courte pour être visible par l’œil humain.

Points clés

  • Les lasers émettent de la lumière cohérente, c’est-à-dire que tous les photons émis possèdent la même longueur d’onde et la même forme d’onde.
  • Les faisceaux laser sont collimatés, c’est-à-dire qu’ils ne se dispersent pas à mesure qu’ils se déplacent dans l’espace et qu’ils restent concentrés en un faisceau fin.
  • Comme les faisceaux laser sont collimatés, ils subissent moins d’atténuation (de perte d’intensité) en se déplaçant que les sources de lumière incohérente. Un faisceau de lumière incohérente s’élargit à mesure qu’il se déplace et la lumière s’atténue donc avec la distance.
  • La lumière d’un laser peut être dispersée de différentes manières sur sa trajectoire et c’est ce qui détermine la quantité du rayon laser qui peut être observé. De manière générale, plus un faisceau laser est visible, plus il est diffusé.

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