Transcription de la vidéo
Le graphique représente les variations d’intensité de trois sources de lumière laser en fonction de la longueur d’onde de la lumière émise. L’intensité d’une lumière laser est maximale pour une certaine longueur d’onde et elle diminue au fur et à mesure que la longueur d’onde s’éloigne de cette longueur d’onde de crête. Les figures I et II représentent des ensembles d’ondes émises par deux des sources lumineuses. La figure II représente les ondes émises par la source lumineuse associée à la courbe de distribution bleue sur le graphique. Quelle est la couleur de la courbe correspondante aux ondes représentées sur la figure I ?
Dans cette question, on nous donne un graphique qui représente l’intensité de la lumière émise par trois sources laser. La courbe rouge représente la source ayant l’intensité la plus forte, la courbe verte représente la courbe ayant l’intensité la plus faible et la courbe bleue représente la source dont l’intensité se trouve entre les deux. On nous donne également des ensembles d’ondes émises par deux des sources lumineuses. Nous savons que l’ensemble II correspond à la source de lumière représentée sur le graphique par la courbe bleue. Et nous devons déterminer à quelle source correspond l’ensemble I, à la courbe verte ou à la courbe rouge.
Pour répondre à cette question, nous pouvons comparer l’intensité de la lumière produite par les deux ensembles d’ondes. Si l’ensemble I produit une intensité de lumière laser supérieure à celle de l’ensemble II, alors nous savons qu’elle doit correspondre à la source représentée par la courbe rouge. Si l’ensemble I produit une intensité de lumière laser inférieure à celle de l’ensemble II, alors nous savons qu’elle doit correspondre à la source représentée par la courbe verte. Pour commencer, rappelons certaines des propriétés de la lumière laser.
Un laser parfait produit une lumière complètement cohérente. Cela signifie que toutes les ondes émises par le laser ont exactement la même longueur d’onde et que chaque onde a la même forme d’onde. De plus, pour obtenir une lumière laser de haute intensité, il faut que chacune de ces ondes soit en phase, les pics alignés avec les pics et les creux alignés avec les creux. Ceci est un exemple d’ensemble d’ondes lumineuses cohérentes. Toutes les ondes ont la même longueur d’onde et la même forme d’onde. Elles sont également en phase.
Si un laser produit une lumière parfaitement cohérente où chaque onde est en phase avec les autres, alors le laser aura une très forte intensité. En effet, les ondes lumineuses interfèrent les unes avec les autres et produisent une onde résultante. Si les ondes lumineuses initiales sont parfaitement en phase les unes avec les autres et cohérentes, alors l’onde résultante a la plus grande amplitude possible.
Par exemple, imaginons deux ondes cohérentes qui sont parfaitement en phase l’une avec l’autre et qui ont toutes les deux une amplitude 𝐴. Elles vont interférer l’une avec l’autre pour produire une onde résultante d’amplitude deux 𝐴. Mais si les deux ondes initiales sont légèrement déphasées, l’onde résultante aura une amplitude plus petite. Cela conduit à une intensité de lumière plus faible. Cela peut surtout se produire si les ondes sont cohérentes mais légèrement déphasées, ce qui sera certainement le cas si les ondes ne sont pas cohérentes initialement.
Dans les vrais lasers, la lumière émise n’est pas parfaitement cohérente. Un laser produit de la lumière avec une faible gamme de longueurs d’onde, ce qui signifie que toutes les ondes ne peuvent pas être en phase les unes avec les autres en permanence. L’intensité du laser dépend du déphasage de ces ondes. Moins les ondes sont cohérentes, plus l’intensité du pic du laser est faible. Appliquons ce principe aux ensembles d’ondes que nous avons dans cette question.
Nous allons commencer par regarder l’ensemble II, qui correspond à la source de lumière représentée par la courbe bleue sur le graphique, la source de lumière avec une intensité moyenne. Si nous regardons de près, nous pouvons voir que ces ondes ont toutes des longueurs d’ondes différentes. Par exemple, la longueur d’onde de cette onde rouge en haut est plus courte que la longueur d’onde de cette onde noire en bas. Cela signifie que ces ondes ne sont pas parfaitement en phase.
Comparons la position des pics de chaque onde en ce point ici. Le pic de l’onde rouge se trouve sur cette ligne pointillée, mais les pics des autres ondes s’éloignent de plus en plus. Lorsque nous atteignons la ligne noire, nous avons en fait un creux. Nous pouvons voir que cette lumière n’est pas parfaitement cohérente. Répétons maintenant ce processus pour l’ensemble I. Encore une fois, nous pouvons voir que les ondes ont toutes des longueurs d’ondes différentes et que les pics de chaque onde ne sont pas alignés. Encore une fois, cette lumière n’est pas cohérente.
Mais comparons maintenant les deux ensembles. Juste en regardant les ondes, il est beaucoup plus évident de dire que l’ensemble I n’est pas cohérent, comparativement à l’ensemble II. La différence de longueurs d’onde entre les ondes est beaucoup plus grande et la différence de phase entre les ondes est beaucoup plus prononcée. Autrement dit, les ondes de l’ensemble I sont encore moins cohérentes que les ondes de l’ensemble II. Comme l’ensemble I est beaucoup moins cohérent que l’ensemble II, cet ensemble d’ondes doit correspondre à un laser moins intense.
En revenant à notre graphique, nous voyons que la courbe verte représente un laser avec une intensité de crête inférieure à la courbe bleue. C’est donc la bonne réponse. La courbe verte correspond aux ondes représentées sur la figure I.
