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Vidéo de la leçon : Propriétés de la lumière laser Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les propriétés de la lumière laser et à utiliser les termes techniques faisant référence à ces propriétés.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, notre sujet concerne les propriétés de la lumière laser. Comme on le verra, la lumière qui provient des lasers n’est pas tout-à-fait comme la lumière provenant d’autres sources, telles que les ampoules électriques ou même le soleil. Dans cette leçon, nous allons énumérer et décrire les propriétés de la lumière laser qui la rendent si particulière.

Pour commencer à étudier la lumière provenant d’un laser, commençons par penser à une lumière provenant d’une source plus familière, comme disons par exemple, cette ampoule à incandescence. Si on pouvait examiner tous les photons émis individuellement par cette ampoule, on verrait qu’ils ont des longueurs d’ondes variables. Par exemple, ce photon ici a une longueur d’onde plus longue que celui-là. Certains des photons, comme celui-ci et celui-là, n’ont même pas de longueur d’onde visible. Et en plus de ça, tous ces photons se déplacent dans des directions différentes. La lumière de cette ampoule varie alors en fréquence. Sa phase varie et sa direction varie.

Si on compare cela à de la lumière provenant d’un laser, supposons que ceci est notre source de lumière laser et que ceci est notre laser rouge, on observera que, contrairement à la lumière provenant de l’ampoule, ces photons ont la même fréquence, la même phase et se déplacent tous dans la même direction. Une lumière se comportant de la sorte est dite cohérente, et c’est l’une des caractéristiques de la lumière laser. Une façon de différencier un rayonnement cohérent d’un rayonnement incohérent, comme celui émis par une ampoule à incandescence, consiste à tracer le graphique représentant l’intensité de la lumière d’une source en fonction la longueur d’onde de ce rayonnement.

Si on devait tracer l’intensité en fonction de la longueur d’onde de la lumière provenant de notre ampoule, cela pourrait ressembler à cette courbe qui, comme on peut le voir, est assez vaste. Ceci est une représentation de toutes les longueurs d’onde différentes composant cette lumière. En revanche, la courbe d’intensité en fonction de la longueur d’onde de la lumière de notre laser pourrait avoir cette apparence. On note que l’intensité maximale est beaucoup plus élevée et que cette lumière est comprise dans une plage de longueurs d’onde beaucoup plus petite. Par ailleurs, si la lumière provenant de notre laser était vraiment exactement toute de la même longueur d’onde, alors la largeur de cette courbe d’intensité en fonction de la longueur d’onde serait nulle. Elle se résumerait à une ligne verticale.

Les systèmes laser réels ne sont cependant pas parfaitement monochromes. En d’autres termes, ils n’émettent pas une lumière uniquement sur une seule longueur d’onde spécifique, mais plutôt sur une plage de longueurs d’onde comme on le voit ici. Cependant, cette plage est si petite par rapport à la plupart des autres sources lumineuses usuelles qu’on peut généralement dire que les lasers émettent un rayonnement monochromatique. On utilise ce terme tout en sachant que, dans ce cas, cela désigne en réalité un rayonnement sur une plage de longueurs d’onde très étroite Ainsi, la lumière d’un laser est une lumière à la fois cohérente et monochromatique. Ceci est différent du rayonnement provenant de notre ampoule, qui est incohérent et, comme on l’a vu plus tôt, s’étend sur une plage de longueurs d’onde, et n’est donc pas monochromatique.

Pour continuer, si on étudie un faisceau de lumière provenant de ces deux sources, cela va nous permettre de voir d’autres propriétés caractéristiques de la lumière laser. Si on efface notre graphique et qu’on se représente le rayonnement provenant de chacune de ces sources, lorsqu’il se propage dans l’espace, on peut voir que la lumière de notre ampoule va s’étendre au fur et à mesure qu’elle s’éloigne de la source, tandis que la lumière laser reste étroitement concentrée en un rayon. Pour mieux comprendre cette différence, on peut imaginer une série de rayons lumineux provenant de notre ampoule et évoluant en ce faisceau de lumière qui s’élargit.

En regardant les différents rayons, on observe que chacun se déplace dans sa propre direction. Donc, si on prolonge légèrement chacun des rayons, on constate que, vu qu’ils se déplacent dans toutes les directions, ce faisceau de lumière devient de plus en plus large à mesure que les rayons s’éloignent de la source. Ceci s’explique par le fait que tous ces rayons de lumière ne se déplacent pas, dès le départ, dans la même direction.

Cela constitue une différence majeure avec la lumière provenant d’un laser. Cette lumière est entièrement orientée selon une seule et même direction dès le départ. Cela signifie que si on regardait des rayons de lumière individuels à l’intérieur de ce faisceau plus large, ces rayons individuels seraient donc parallèles les uns aux autres. Lorsqu’un faisceau de lumière est ainsi parallèle, on dit qu’il est collimaté. La largeur d’un faisceau parfaitement collimaté ne varie pas lorsque le faisceau se déplace. Voilà pourquoi, tandis que l’ampoule à incandescence émet un faisceau de lumière qui s’élargit, on peut représenter la lumière provenant d’une source laser par une ligne droite. Chaque photon individuel se déplace dans une seule et même direction.

À présent, on peut passer à une dernière propriété concernant la lumière laser. Et pour démontrer cette propriété, au lieu de comparer la lumière d’une ampoule à la lumière d’un laser rouge, on va cette fois-ci comparer la lumière émise par deux lasers différents, un qui émet une lumière verte, et l’autre étant notre laser rouge d’origine. Ici, depuis notre point d’observation, on regarde ces deux lasers dans une vue de profil, comme ceci. Donc, on observe ces deux faisceaux laser d’un point de vue latéral, alors qu’ils se déplacent perpendiculairement à nous. Et on remarque que pour le laser rouge, on observe un faisceau rouge continu et régulier. Alors que pour le laser vert, on n’observe que quelques points de lumière. La différence d’apparence entre ces deux faisceaux laser est due à ce qu’on appelle la diffusion.

Regardons à nouveau le faisceau laser rouge. On a dit que comme ce faisceau est constitué d’une lumière laser, toute cette lumière se déplace, du moins à l’origine, dans la même direction. Alors, si la lumière restait inchangée, c’est-à-dire, si elle se déplaçait en continu de gauche à droite comme dessiné ici, alors notre œil ne pourrait pas réellement voir ce faisceau. La seule façon qui permet de le voir est si certains des photons du faisceau se dispersent, c’est-à-dire qu’ils rebondissent sur un objet tel qu’une molécule d’air. Ce ne sont que les photons diffusés qui, s’ils sont dispersés à angle droit, arrivent sur notre œil et nous permettent de voir le tracé de ce faisceau laser.

Ainsi, puisque ce faisceau entier nous apparaît comme visible, cela signifie qu’un phénomène de diffusion se produit. Cela indique qu’il y a un nombre élevé de particules de diffusion tout au long du trajet du faisceau. Et on pourrait provoquer une telle situation en utilisant, par exemple, un flacon pulvérisateur et en brumisant des gouttelettes d’eau dans l’air traversé par le faisceau laser. Ceci introduirait un grand nombre d’objets de diffusion, des molécules d’eau, sur le trajet du faisceau. Et ainsi, plus de lumière laser diffusée par ces objets atteint notre œil et rend le faisceau visible.

Si on compare cela à la lumière du faisceau laser vert observée, on peut dire que par rapport au faisceau rouge, celui-ci est beaucoup moins diffusé. La lumière laser du faisceau n’est diffusée et n’atteint notre œil qu’en quelques emplacements au long du trajet du faisceau, là où les points verts apparaissent. Aux autres points du trajet du faisceau, la lumière, qu’elle soit diffusée ou non, n’atteint pas notre œil, ce qui indique que, dans l’ensemble, il y a relativement peu de diffusion.

À titre de remarque, on notera qu’il est possible d’avoir de la lumière laser complètement invisible lorsqu’on l’observe depuis une vue de profil, bien que cette même lumière laser subisse en fait une très forte diffusion. Il se peut tout simplement que ce laser émette une lumière non visible à nos yeux. Donc, ce n’est que pour les longueurs d’onde visibles du rayonnement comme la lumière verte et la lumière rouge que, lors de la visualisation d’un faisceau laser de profil, on peut vraiment estimer la quantité de diffusion qui se produit dans ce faisceau. Maintenant que l’on a vu toutes ces propriétés concernant la lumière laser, étudions un exemple.

Ce schéma représente la forme d’onde résultante des ondes émises par une source de lumière laser. Lequel des schémas suivants représente le plus fidèlement un groupe d’ondes émises par la source de lumière laser ?

Bien, ici lorsque notre question évoque le schéma, elle fait référence à cette forme d’onde, en violet. On nous dit qu’il s’agit de la forme d’onde résultante de la combinaison d’une série d’ondes émises par une source laser. On nous présente ensuite ces autres schémas numérotés I et II, illustrant deux groupes d’ondes différents. On nous dit aussi que l’un de ces deux groupes représente correctement les ondes émises par la source laser.

Donc, on pourrait poser la question de cette façon. Si on combine les ondes du groupe I et si on combine les ondes du groupe II, quelle combinaison donnera alors l’onde résultante en violet que l’on a ici ? Pour trouver la réponse à cette question, examinons de près cette forme d’onde. On note que cette forme d’onde a une longueur d’onde constante et très régulière sur toute sa longueur. D’autre part, le déplacement de l’onde depuis son état d’équilibre s’effectue en cycles très réguliers. L’onde atteint toujours la même valeur maximale ici et ici et ici et ainsi de suite, ainsi que les mêmes valeurs minimales ici et ici et ici et ainsi de suite.

Pour obtenir une telle résultante en additionnant une série d’ondes, il faut alors que les ondes individuelles additionnées soient très semblables les unes aux autres. Il faudrait qu’elles aient la même longueur d’onde, par exemple. C’est ce qui conduit cette onde résultante à avoir la même longueur d’onde tout du long. Et elles devraient également s’aligner les unes avec les autres pour que tous les pics soient alignés et que tous les creux soient alignés. En d’autres termes, les ondes doivent avoir une différence de phase de zéro ou être en phase l’une avec l’autre.

Sachant cela, en comparant les ondes du schéma I avec celles du schéma II, on s’aperçoit que les ondes du schéma I remplissent nos conditions. Elles sont en phase, et elles ont toutes la même longueur d’onde en tout point, tandis que les ondes du schéma II ont des relations de phase variables de gauche à droite et aussi des longueurs d’onde différentes les unes des autres. Il est difficile de prédire exactement le résultat de l’addition de toutes ces ondes. Mais on peut dire avec certitude qu’il ne serait pas aussi régulier et ordonné que cette forme d’onde résultante. Pour obtenir un tel résultat bien ordonné, il faut nécessairement additionner des ondes très semblables.

Et donc, on déduit que les ondes du schéma I représentent au mieux un groupe d’ondes émises par cette source de lumière laser.

Voyons maintenant un deuxième exemple.

Ce graphique illustre comment l’intensité à la sortie de deux sources de lumière varie en fonction de la longueur d’onde de la lumière qu’elles émettent. Les deux sources lumineuses émettent le plus fortement à une longueur d’onde de valeur spécifique, et l’intensité diminue lorsque la longueur d’onde s’éloigne de cette valeur. Quelle est la couleur de la courbe qui représente la lumière émise par une source de lumière incohérente ? Quelle est la couleur de la courbe qui représente la source de lumière la plus monochromatique ?

Ces deux questions se réfèrent au graphique qui, comme on peut le voir, trace l’intensité en watts par mètre carré en fonction de la longueur d’onde en nanomètres. Le graphique montre essentiellement la quantité de lumière provenant de deux sources différentes émise par longueur d’onde de cette source. Ainsi, par exemple, à cette valeur de longueur d’onde ici, quelle que soit sa valeur numérique, nos deux sources émettent à leur intensité maximale. Puis, comme expliqué dans l’énoncé du problème, à mesure que l’on s’éloigne de cette longueur d’onde, l’intensité des deux sources diminue.

Mais on s’aperçoit que cette diminution se produit beaucoup plus rapidement pour cette courbe colorée en rouge, où l’intensité diminue assez vite lorsque l’on s’éloigne de cette longueur d’onde, par rapport à l’intensité de la courbe indiquée en bleu. Bien sûr, elle finit également par devenir nulle, mais pas aussi rapidement, en quelque sorte, que la ligne rouge. Cela nous indique que ce qu’on peut appeler la plage la longueur d’onde de la courbe bleue est supérieure à celle de la courbe rouge. La source qui émet une lumière dont l’intensité par rapport à la longueur d’onde est indiquée par la courbe bleue émet de la lumière sur plus de longueurs d’onde que la source dont la lumière correspond à cette courbe rouge.

Bien, la première question demande quelle est la couleur de la courbe qui représente la lumière émise par une source de lumière incohérente ? Faisons un peu de place sur l’écran et rappelons-nous un peu ce que ce terme signifie. La lumière incohérente est naturellement l’inverse du rayonnement cohérent. Une des propriétés de la lumière cohérente est qu’elle est constituée de photons ayant tous la même longueur d’onde. Ainsi, par exemple, si on avait deux ondes lumineuses comme celles-ci qui ont la même longueur d’onde et, comme dessinées ici, sont également en phase l’une avec l’autre, alors on pourrait dire que ces ondes sont cohérentes.

Tout cela pour dire que lorsqu’on se réfère à la lumière d’une source incohérente, on n’affirme pas que cette lumière est constituée de rayons ayant tous la même longueur d’onde, contrairement à la lumière cohérente. Ainsi, la lumière d’une source incohérente est nécessairement composée d’une plage de plusieurs longueurs d’onde. Et en regardant notre graphique, on remarque que la courbe indiquée en bleu correspond à cela. Cette ligne représente également de la lumière qui, comme on l’a vu auparavant, est composée d’une plage relativement large de longueurs d’onde. Pour cette raison, on peut donc affirmer que c’est la courbe bleue qui représente une lumière émise par une source incohérente. Les sources incohérentes sont caractérisées par une plage de plusieurs longueurs d’onde ou de fréquences.

La partie suivante de la question demande quelle est la couleur de la courbe qui représente la source de lumière la plus monochromatique ? En observant à nouveau le graphique, on peut immédiatement trouver la réponse. La courbe rouge s’étend sur une plage de longueurs d’onde plus étroite et est donc davantage quasi-monochromatique par rapport à la courbe bleue. Donc, la courbe rouge représente la source de lumière la plus monochromatique.

Résumons maintenant ce que l’on a appris au sujet des propriétés de la lumière laser. Dans cette leçon, on a étudié les propriétés particulières de la lumière laser. Celles-ci indiquent que la lumière laser est un rayonnement cohérent. En d’autres termes, les photons d’un faisceau laser ont tous la même longueur d’onde et la même relation de phase. D’autre part, la lumière laser est quasi-monochromatique. C’est-à-dire que la plage de longueurs d’onde ou de fréquences émise par la lumière laser est très petite.

Les faisceaux laser sont dits collimatés. C’est-à-dire que les photons de ces faisceaux se déplacent tous dans la même direction, parallèlement les uns aux autres. Cela explique la très petite divergence ou dispersion du faisceau lorsque les lumières laser se propagent dans l’espace. Pour finir, on a vu que les faisceaux laser peuvent subir une diffusion de différentes manières et que, généralement, plus un faisceau laser est visible, plus il a été diffusé. Ceci est un résumé des propriétés de la lumière laser.

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