L` ALIGNEMENT LASER

Term S PHYSIQUE
TP n° 10
L' ALIGNEMENT LASER
Document 1 : L' utilisation des lasers dans les travaux publics
Dans la construction et les travaux publics, les rayons laser servent à vérifier l' alignement des structures.
Un faisceau laser est unidirectionnel : il se dirige dans une direction unique. Cependant, il peut y avoir
une divergence lorsque le faisceau se propage dans un milieu. Ainsi, le diamètre du faisceau peut
augmenter le long de son parcours.
λ
La divergence d' un faisceau laser dans l' air est approximativement : θ =
d0
où θ est la divergence exprimée en radians, λ la longueur d' onde, et d0 la largeur minimale du faisceau.
Document 2 : Caractéristiques d' un laser d' alignement
Posé sur un élément en construction ou sur un plan fixe, le laser d' alignement est utilisé pour la
réalisation d' ouvrages rectilignes ( canalisations d' eaux pluviales ou eaux usées )
Données techniques :
Diode laser
635 nm
Divergence
0,5 mrad
Dimensions du faisceau en sortie
5 x 2 mm
Objectif du TP : Mesurer la divergence du faisceau issu d' un laser hélium – néon.
Matériel : Laser hélium – néon : diamètre du faisceau en sortie : d0 = 0,75 mm
longueur d' onde : λ = 633 nm.
Ecran, papier, grande règle, petite règle.
I- S' approprier
( 10 min conseillées )
1) On note θ la divergence du faisceau laser, d0 le diamètre du faisceau en sortie du laser, et d1 le
diamètre du faisceau à une distance L du laser.
Faire un schéma du faisceau laser en faisant apparaître ces données.
2) Donner la relation liant ces quatre grandeurs.
Appeler le professeur pour donner le résultat.
II- Analyser
( 15 min conseillées )
Rédiger et schématiser le protocole expérimental permettant de mesurer la divergence θ du faisceau
laser.
Appeler le professeur pour la vérification du protocole expérimental.
III- Réaliser
( 15 min conseillées )
Effectuer les mesures prévues dans le protocole.
Appeler le professeur pour donner le résultat.
IV- Valider
( 20 min conseillées )
1) Déduire des mesures effectuées la valeur de la divergence θ du faisceau laser.
2) Estimer l' incertitude de chacune des mesures.
3) Estimer l' incertitude relative sur la valeur obtenue expérimentalement de θ .
4) La valeur théorique de θ , que l' on peut calculer à partir du document 1, correspond-elle à la valeur
expérimentale de θ ?
5) Qu' est-ce qui limite la précision de la détermination de θ ?
Proposer d' éventuelles modifications du protocole expérimental pour en améliorer la précision.
Term S PHYSIQUE
TP n° 10
EXERCICE : Faisceau du pointeur LASER
Le faisceau lumineux d' un pointeur laser sort par un diaphragme circulaire de diamètre d0 = 2,0 mm.
La fréquence de la lumière émise, quasi monochromatique est f = 4,48 . 10 14 Hz , produit, sur un écran
blanc situé à la distance L = 6,0 m de l'ouverture, une tache lumineuse de diamètre d1 = 12 mm.
La puissance lumineuse émise est P = 3,0 mW.
1) Quelle est la longueur d' onde de la radiation émise ?
Quelle est la couleur de la tache observée sur l'écran ?
2) Quel est l' angle θ de divergence de ce faisceau ? Faire un schéma.
3) On considère une onde plane, monochromatique, de fréquence f qui traverse une ouverture circulaire
de diamètre a .
La direction de propagation est normale au plan de l' ouverture.
Au-delà du trou, les surfaces d' onde sont quasiment sphériques et contenues dans un cône de
demi-angle au sommet θ .
a) Quel est le phénomène qui affecte l' onde lumineuse lorsqu' elle traverse le trou ?
b) Quelle est la valeur de a ?
c) Comparer a et d0 .
Peut-on interpréter la divergence du faisceau lumineux émis par le pointeur ?
4) On admet que l' onde qui arrive sur l' écran situé à la distance L de la sortie du pointeur est quasiment
plane et que l' énergie est conservée pendant la propagation.
π
a) Démontrer que l' expression de l' aire S vaut : S = ( d0 + 2 θ L ) 2
4
b) Exprimer la puissance PS par unité de surface d' onde en fonction de P, θ , d0 et L .
c) Pour cette valeur de la fréquence, le maximum d' exposition acceptable sans danger par l' œil
humain, sera pris égal à 2,5 W. m – 2 .
A quelle distance L l' observation directe du faisceau, émis par le pointeur, n' est-elle plus
dangereuse ?