L` ALIGNEMENT LASER
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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 ?