Interrogations orales PC* : semaine 22 du 23 au 27 mars 2015 1
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Interrogations orales PC* : semaine 22 du 23 au 27 mars 2015 1
Interrogations orales PC* : semaine 22 du 23 au 27 mars 2015 1 Optique : diffraction. Le TP sur le filtrage optique n’a été fait que par la moitié des étudiants. — Transmittance complexe d’un objet mince. Exemples (objets d’amplitude, objets de phase). — Réseau unidimensionnel d’extension infinie de coefficient de transmission t(x) sinusoïdal et de pas supérieur à la longueur d’onde, éclairé sous incidence normale : construction de l’onde transmise par superposition de trois ondes planes définies par la condition aux limites sur le réseau. — Observations dans le plan de Fourier. — Indications sur ce qui se passe en incidence oblique, et lorsque le pas du réseau est plus petit que la longueur d’onde : 2 des 3 ondes sont alors évanescentes dans la direction incidente. — Mire unidimensionnelle d’extension latérale infinie de traits parallèles équidistants (= réseau !). Fréquences spatiales. Stéréospectre de la transmittance. Observations dans le plan de Fourier. — Fente rectiligne de coefficient de transmission uniforme. Stéréospectre (transformée de Fourier de transmittance de la fente). Observations dans le plan de Fourier. Lien avec la relation sin θ = λa vue en première année. — Indications qualitatives sur les objets diffractants 2D : pupille rectangulaire, circulaire (tache d’Airy). Limitation par la diffraction du pouvoir séparateur des instruments d’optique (critère de Rayleigh). Exemple sur les télescopes/lunettes astronomiques. Quelques notions sur la limitation du pouvoir séparateur par l’atmosphère et sur l’optique adaptative, qui permet d’atteindre la résolution théorique due à l’ouverture de l’instrument. — Filtrage optique. Principe du filtrage de fréquences spatiales dans le plan de Fourier : filtrage passe-bas, filtrage passe-haut (exemple de la strioscopie). 2 Physique des ondes. 2.1 2.1.1 Introduction à la physique du laser. Propriétés optiques d’un faisceau spatialement limité (approche descriptive). — Faisceau à profil gaussien : expression de l’amplitude complexe (admise). Longueur de Rayleigh ; zone de Rayleigh. Waist w0 du faisceau. — Rôle de la diffraction dans l’ouverture angulaire du faisceau à grande distance. Lien entre cette ouverture angulaire et le waist du faisceau. — Profil radial d’intensité. Évolution du rayon caractéristique w(z) avec z. — Construction de l’allure d’un faisceau de profil gaussien à partir de l’enveloppe d’un faisceau cylindrique de λ rayon w0 et d’un faisceau conique de demi-ouverture angulaire wλ0 (ou plutôt πw ). 0 — Action d’une lentille sur un faisceau gaussien : transformation d’un faisceau cylindrique en faisceau conique et réciproquement. Dimension et position de la section minimale dans ces seuls cas. Le rayon minimal accessible est de l’ordre de λ. — Utilisation d’un élargisseur de faisceau (doublet afocal) pour réduire l’ouverture angulaire. 2.1.2 Interactions quantiques lumière–matière. limite à un système à deux niveaux d’énergie E1 et E2 , non dégénérés (E2 > E1 ). Énergie d’un photon. Les trois processus : absorption (stimulée), émission spontanée, émission stimulée (ou induite). Caractéristiques du photon émis par émission spontanée ou par émission stimulée. Densité spectrale volumique d’énergie électromagnétique wν (ν). Probabilités de transition : coefficients d’Einstein B12 , B21 , A21 . "Rate equations". Pour ce qui concerne la seule émission spontanée : durée de vie du niveau E2 , lien avec le coefficient A21 . Lien avec la statistique de Maxwell-Boltzmann à l’équilibre thermique : on montre que B12 = B21 = B ; relation entre A et B. — Dans le visible, et pour une très large gamme de températures, l’émission spontanée l’emporte largement sur l’émission stimulée, à l’équilibre thermique. — Amplification d’une onde lumineuse par émission stimulée : nécessité d’une inversion de population. Pompage optique (impossibilité d’exciter directement la transition considérée ; exemple de systèmes à 3 ou 4 niveaux) ; pompage électrique. On se — — — — — — — TSVP −→ 2.1.3 Mise en œuvre d’un oscillateur électronique sur l’exemple de l’oscillateur à pont de Wien. — Étage d’amplification : amplificateur non inverseur. Domaine de linéarité ; non linéarités. — Filtre sélectif : filtre de Wien. Fonction de transfert, diagrammes de Bode. Équation différentielle reliant l’entrée et la sortie. — Système bouclé : condition d’oscillations sinusoïdales. Rôle des non linéarités dans la limitation de l’amplitude des oscillations. 2.1.4 Application au laser en tant qu’oscillateur. — La cavité résonante (toute étude de sa stabilité est hors-programme). Fréquences de résonance. Ordres de grandeur du coefficient de réflexion en puissance des miroirs. — Association du milieu amplificateur et de la cavité. Démarrage des oscillations (par des photons émis spontanément) ; amplification. — Condition d’oscillation. Limitation du gain par une non-linéarité. — Espacement en fréquence entre deux modes. Lasers monomodes et multimodes. 2.2 Approche ondulatoire de la mécanique quantique. Le programme se limite à une particule sans degré de liberté interne et évoluant dans un espace à une dimension. — Bref historique des débuts de la théorie (Planck 1900, Einstein 1905, de Broglie 1923). — Fonction d’onde associée à une particule :ψ(~r, t) (ψ(x, t) dans un cas unidimensionnel). — Densité linéique de probabilité de présence. Normalisation de la fonction d’onde. — Lien qualitatif avec la notion d’orbitale en chimie (mais plutôt à 3D !). — Principe de superposition. Phénomène d’interférences entre particules. — Évolution temporelle de la fonction d’onde : équation de Schrödinger (elle doit être fournie) avec un potentiel V (x) indépendant du temps. — États stationnaires : expression. Ce sont des états d’énergie fixée. Équation de Schrödinger pour la partie spatiale ϕ(x). Propriétés mathématiques (admises) que doit satisfaire la fonction ϕ(x). — Principe de la "résolution" de l’équation de Schrödinger par projection sur la base des états stationnaires. — Exemple d’évolution pour un état combinaison linéaire de deux états stationnaires. Inégalité de Heisenberg temporelle. — La particule libre : les états stationnaires sont les ondes de de Broglie (non normalisables). L’énergie n’est pas quantifiée. — Paquet d’ondes associé à une particule libre. Propriétés liées à celles, mathématiques, de la transformée de Fourier. Inégalité de Heisenberg spatiale. Relation de dispersion pour la particule libre ; le milieu n’est pas "absorbant" (interprétation physique) ; vitesse de phase (milieu dispersif) ; vitesse de groupe. Identification de la vitesse de groupe avec la vitesse "classique" de la particule. 3 Révisions de première année : introduction au monde quantique. Tout ce chapitre de PCSI est à revoir. — Dualité onde-particule pour la lumière et la matière. — Relations de Planck-Einstein et de Louis de Broglie. — Ordres de grandeur. — Nécessité de la notion de photon (approche documentaire). — Expérience illustrant la notion d’onde de matière (approche documentaire). — Interprétation probabiliste associée à la fonction d’onde. — Inégalité de Heisenberg spatiale. Analogie avec la diffraction des ondes lumineuses. — Énergie minimale de l’oscillateur harmonique quantique. Lien entre confinement spatial et énergie minimale. — Quantification de l’énergie d’une particule confinée 1D. Analogie avec les modes propres d’une corde vibrante. Lien qualitatif entre confinement spatial et quantification.