Manuel d optique
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Description

Manuel d'optique reprend différents cours qui ont été enseignés aux élèves ingénieurs de l'ENS de Physique de Grenoble ainsi qu'à ceux du DEA d'Optique. La méthode de présentation est inspirée de Richard Feynman, avec un parti pris de raconter l'optique plutôt que de la déduire de lois fondamentales. Un effort a été fait pour que les outils mathématiques entravent le moins possible la compréhension des phénomènes.
1. Grandeurs et ordres de grandeurs Les principales applications des ondes électromagnétiques - Dualité onde-corpuscule - Qu'est-ce qu'une onde ? - Rayonnement dipolaire électrique - Détecteurs de lumière - Interférence, diffraction - Photométrie - Perception et reproduction des couleurs 2. Ondes électromagnétiques Le formalisme de l'électromagnétisme - Les principaux types d'ondes - Solution des équations de Maxwell pour des ondes harmoniques planes - Structure d'une onde plane solution des équations de Maxwell - Ondes harmoniques quelconques - Ondes sphériques 3. Optique géométrique Propagation géométrique de la lumière - Principe de Fermat - Formation d'images - Lentilles minces - Systèmes centrés dans les conditions de Gauss - Annexes 4. Lumière polarisée - Lois de la réflexion Caractère vectoriel transversal de la vibration lumineuse - Analyseurs - Polariseurs - Réflexion - réfraction vitreuse - Annexes 5. Biréfringence Double réfraction - Le tenseur susceptibilité diélectrique - Ondes planes solutions des équations de Maxwell en milieu anisotrope - Constructions des faisceaux réfractés sur un dioptre anisotrope - Forme des surfaces caractéristiques - Biréfringence circulaire - Biréfringence induite - Annexes 6. Interférences Montages à dédoublement d'un front d'onde - Montages à dédoublement d'amplitude - Interféromètres à deux ondes - Interféromètre de Pérot-Fabry - Interférences dans des empilements de couches minces 7. Diffraction Postulat de Huygens-Fresnel - Diffraction de Fraunhofer - Diffraction de Fresnel - Réseaux de diffraction - Holographie - Diffraction et traitement des images 8. Indice de réfraction Mécanismes physiques de la propagation dans un milieu matériel - Calcul de l'indice de réfraction - L'indice de réfraction est un nombre complexe - Indice de réfraction et populations des niveaux d'une transition DPE - Annexes 9. Lasers Généralités : Laser, oscillateur à réaction - Le processus d'amplification optique - Comment obtenir une inversion de population - Le résonateur Fabry-Pérot - Caractéristiques spectrales de la lumière produite par un laser - Dynamique de l'émission d'un laser - Originalité de la lumière laser - Annexes 10. Optique non linéaire Généralités sur les effets non linéaires en physique - Polarisation non linéaire - Equations de propagation en milieu non linéaire - Phénomènes non linéaires d'ordre trois 11. Diffusions Raman-Brilloin-Rayleigh Interactions type Raman-Brilloin - Introduction expérimantale de l'effet Raman - Etude théorique de l'effet Raman - Diffusion Brilloin 12. Optique guidée Description de la propagation dans un guide planaire à saut d'indice - Fibres optiques - Annexes 13. Développement et transformation de Fourier Séries de Fourier - Intégrales de Fourier - Transformées de Fourier - Propriétés importantes de la transformée de Fourier - Transformée de Fourier à deux dimensions - Quelques transformées de Fourier célèbres - Vitesse de phase - vitesse de groupe Bibliographie - Index

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 21 octobre 1997
Nombre de lectures 497
EAN13 9782746233515
Langue Français
Poids de l'ouvrage 37 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0600€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

Manuel d'optique Cet ouvrage a été rédigé avec le concours du Ministère de l'éducation nationale, de
l'enseignement supérieur et de la recherche (DISTNB).
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Raphaël Clerc et Stefan Landis, élèves de TENS de Physique
de Grenoble, qui ont relu le manuscrit initial et qui m'ont suggéré des modifica­
tions intéressantes de certaines parties.
© Editions HERMES , Paris, 1997
Editions HERMES
14, rue Lantiez
75017 Paris
ISB N 2-86601-634-3
Catalogage Electre-Bibliographie
Chartier, Germain
Manuel d'optique. - Paris : Hermès, 1997.
ISBN 2-86601-634-3
RAMEAU : optique
matériaux optiques
DEWEYl : 530 2 : 621-4 : Physique appliquée
Optique appliqué
Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une
part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non
destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations
dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou
partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
illicite" (article L. 122-4).
Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc
une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété
intellectuelle. Manuel
d'optique
Germain Chartier
HERME S EXTRAI T DU CATALOGUE GÉNÉRA L
Manue l thermique, théorie et pratique, 2« éditio n revue et augmentée,
Bernar d EYGLUNENT, 1997.
Mécanique , éléments de mécanique rationnelle, cours, exercices et
corrigés, Roger BOUDET, Alain CHAUVIN, 1997.
Magnétism e et matériaux magnétiques pour l'électronique,
Pierr e BRISSONNEAU, 1997.
Matériau x composites, 4^ édition revue et augmentée, Daniel GAY, 1997.
Télécom s sur fibres optiques, 2^ édition, Pierre LECOY, 1997.
Mécaniqu e des milieux continus, Roger BOUDET, Alain CHAUVIN, 1996.
Les supraconducteurs, Pascal TDCADOR, 1995.
Ruptur e par fissuration des structures, Naman RECHO, 1995.
Technologi e des composites, 2 ^ éditio n revue et corrigée,
Mauric e REYNE, 1995. e des télécoms, Pierre LECOY, 1995.
L a cavitation, traqueurs de bulles, Yves LECOFFRE, 1994.
Technologi e des alliages à mémoire de forme, comportement mécanique
et mise en œuvre, Etienne PATOOR, Marcel BERVEILLER, 1994.
L e contrôle non destructif par ultrasons, Jean PERDUON, 1993.
Les diélectriques, propriétés diélectriques des matériaux isolants,
Rolan d CoELHO, Bernard ALADENIZE, 1993.
Mécaniqu e de la corde vivante, Claude VALETTE, Christian CUESTA, 1993.
Modélisatio n et simulation des écoulements turbulents,
Rolan d SCHIESTEL, 1993
Comportemen t mécanique des matériaux, volume 1, Elasticité et
plasticité, Dominique FRANÇOIS, André PINEAU, André ZAOUI, 1992. te des, volume 2, Viscoplasticité,
endommagement, mécanique de la rupture, mécanique du contact,
Dominiqu e FRANÇOIS, André PINEAU, André ZAOUI, 1993.
Cinématiqu e et dynamique des solides. Lise LAMOUREUX, 1992.
Serveu r web : http://www.editions-hermes.fr Table des matières
Avant-propos 21
Chronologie5
Chapitre 1. Grandeurs et ordres de grandeurs 29
1.1. Les principales applications des ondes électromagnétiques 2
1.1.1. Les ondes électromagnétiques permettent de transporter
de l'infomnation
1.1.2.Les ondess permettent de sonder la matière 3
1.2. Dualité onde-corpuscule 33
1.2.1. Relations de Planck et de de Broglie4
1.2.2. Energie des photons - Fréquence de la lumière 3
1.3. Qu'est-ce qu'une onde ?
1.3.1. Phénomène variable au cours du temps, nécessité d'une source 35
1.3.2. Intervention de la relativité d'Einstein6
1.3.3. Description d'un phénomène qui se propage 37
1.3.3.1. Exemples des ondes élastiques de surface
1.3.3.2. Description mathématique d'un phénomène qui se
propage : f(t±x/v) 39
1.3.3.3. Ondes sinusoïdales 41
1.3.4. Schématisation d'une expérience de propagation
électromagnétique2
1.4. Rayonnement dipolaire électrique4
1.4.1. Objets lumineux et objets éclairés
1.4.2. Description phénoménologique du mouvement des électrons
d'un atome 4
1.4.2.1. Les équations phénoménologiques 4
1.4.2.2. Forme de la solution dans le cas de sources lumineuses . 46
1.4.2.3. Objet éclairé avec une source cohérente continue 48 6 Manuel d'optique
1.4.2.4. Objet éclairé par une source incohérente 48
1.4.2.5. Couleur apparente des objets9
1.4.3. Etude du rayonnement émis par un dipôle oscillant 50
1.4.3.1. Raisons physiques du champ électrique et
du champ magnétique 5
1.4.3.2. Insuffisance des formules de Coulomb et Biot-Savart . . 51
1.4.3.3. Forme et expression du champ rayonné par un dipôle
oscillant1
1.5. Détecteurs de lumière2
1.5.1. Définition de la détection
1.5.2. Mesure d'une puissance en décibel3
1.5.3. Considérations physiques sur le fonctionnement
des photodétecteurs5
1.5.3.1. Réactions photochimiques 5
1.5.3.2. Production d'une excitation nerveuse6
1.5.3.3. Classification des propriétés des détecteurs
photoélectriques 5
1.5.3.4. Photodiode à vide7
1.5.3.5. Détecteurs à semi-conducteurs8
1.5.3.6. Les opticiens savent compter leurs photons 60
1.5.4. Détection des ondes lumineuses. Temps de réponses
des photodétecteurs 61
1.6. Interférence, diffraction6
1.6.1. Le paradoxe apparent des interférences 6
1.6.2. Pas d'interférences sans détection
1.6.3. Conditions d'interférence entre les lumières de deux sources
différentes8
1.6.3.1. Les fréquences doivent être égales
1.6.3.2. Les deux sources doivent être cohérentes 70
1.6.3.3. Cas de sources thermiques, longueur de cohérence ... . 7
1.6.4. La diffraction limite le domaine de validité de l'optique
géométrique 72
1.6.5. Diffraction des électrons4
1.7. Photometric5
1.7.1. Grandeurs énergétiques6
1.7.2.s photométriques 81
1.7.2.1. Définition des grandeurs physiologiques 8
1.7.2.2. Définitions des unités
1.7.2.3. Ordres de grandeurs3
1.7.3. Thermodynamique et conservation de l'étendue géométrique . 84
1.7.3.1. Luminance d'un corps noir
1.7.3.2. Densité volumique d'énergie dans un corps noir 8Table des matières 7
1.7.3.3. Luminance d'un corps quelconque chauffé 87
1.8. Perception et reproduction des couleurs 8
Chapitre 2 . Ondes électromagnétiques 93
2.1. Le formalisme de l'électromagnétisme
2.1.1. Vecteurs fondamentaux
2.1.2. Le vecteur champ électromagnétique4
2.1.3. Règles générales de détermination du champ
électromagnétique 95
2.1.4. Exemple de l'onde plane sinusoïdale6
2.2. Les principaux types d'ondes8
2.2.1. Equation d'onde
2.2.2. Forme générale d'ondes planes solutions de l'équation d'onde . 100
2.2.3. Formee des ondes sphériques solution de l'équation
d'onde 101
2.3. Solution des équations de Maxwell pour des ondes harmoniques
planes2
2.3.1. Les équations de Maxwell
2.3.1.1. Opérateurs Hnéaires utihsés 10
2.3.1.2 .Expression des équations de Maxwell à l'aide des
opérateurs4
2.3.2. L'équation d'onde5
2.3.3. Forme des équations de Maxwell pour des ondes
harmoniques planes6
2.3.4. Décomposition d'une onde quelconque en ondes
harmoniques planes 107
2.4. Structure d'une onde plane solution des équations de Maxwell ... . 108
2.4.1. Position du problème
2.4.2. Structure d'une onde plane8
2.4.3. Transport d'énergie par une onde électromagnétique 110
2.5. Ondes harmoniques quelconques 112
2.5.1. Equation de Helmholtz
2.5.2. Équation dez pour des amplitudes lentement
variables 113
2.5.3. Rayons lumineux et vitesse de propagation pour des ondes
inhomogènes5
2.6. Ondes sphériques6
2.6.1. Impossibilité physique d'ondes rigoureusement sphériques .. . 11
2.6.2. Déphasage de n par passage en un foyer 117
2.6.3. Développement limité d'une onde sphérique dans les conditions
de Gauss8 8 Manuel d'optique
2.6.4.Transfonnation d'une onde plane en onde sphérique par un système
optique 120
2.6.4.1. Réflexion d'une onde sur un miroir sphérique 12
2.6.4.2. Focalisation à l'aide d'une lentillee2
2.6.5. Faisceaux gaussiens3
2.6.5.1. Solution de l'équation de Helmholtz pour des
faisceaux lentement variables
2.6.5.2.Paramètres nécessaires pour caractériser un faisceau
gaussien8
2.6.5.3.Transformation d'un faisceau gaussien par une lentille
sphérique9
Chapitre 3. Optique géométrique 131
3.1. Propagatione de la lumière
3.1.1. Rayons lumineux
3.1.2. Les milieux de propagation
3.1.3. Vitesse den - indice de réfraction 133
3.2. Principe de Fermât4
3.2.1. Les différentes présentations possibles
3.2.2. Enoncé du Principe de Fermât 13
3.2.3. Principe du retour inverse de la lumière6
3.2.4. Démonstration des lois de la réflexion et de la réfraction ... . 13
3.2.5. Principe de Fermât pour les systèmes optiques stigmatiques . .8
3.2.5.1. Stigmatisme et principe de Fermât8
3.2.5.2.e rigoureux9
3.3. Formation d'images 143
3.3.1. Réalité et virtualité des objets et des images 14
3.3.2. Stigmatisme rigoureux - stigmatisme approché
3.4. Lentilles minces5
3.4.1. Définitions6
3.4.2. Marche des rayons dans une lentille mince7
3.4.3. Formules de conjugaison dans une lentille 152
3.5. Systèmes centrés dans les conditions de Gauss
3.5.1. Définition d'un système centré3
3.5.1.1. Dioptre sphérique 15
3.5.1.2. Système centré
3.5.1.3. Propriétés fondamentales des dioptres sphériques et
des système centrés
3.5.2. Éléments cardinaux des systèmes centrés
3.5.3. Constructions géométriques des images dans un système
cenu-é 158 Table des matières 9
3.5.3.1. Construction de l'image d'un objet à partir des éléments
cardinaux 158
3.5.3.2. Formule de conjugaison de Newton 159
3.5.3.3.e de Descartes
3.5.3.4. Grandissements 160
3.5.4. Utilisation de la notation matricielle1
3.5.4.1. Forme générale des équations de passage 16
3.5.4.2. Cas où les rayons ne sont pas dans un plan méridien .. . 163
3.5.4.3. Matrice de transfert d'un système centré quelconque ...4
3.5.4.4.e det d'une centré décrit par ses
éléments cardinaux4
3.5.4.5. Vergence - Matrice de conjugaison 166
Annexe 3.A. Compléments sur les

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