Département Mécanique Énergétique

Optique

5. Sources, Détecteurs et Applications

Laurence BERGOUGNOUX

http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~bergougnoux/

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Plan du cours

1 Introduction2 Principes3 Systèmes optiques4 Sources et Détecteurs

GénéralitésSources de rayonnement naturel, à incandescence, à décharge et LasersDétecteurs

5 Applications

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Sources et Détecteurs Généralités

Généralités

L’émission de rayonnement résulte de la transformation d’une énergieprimaire :

thermique ;mécanique → triboluminescence ;chimique → chimiluminescence ;électrique → électroluminescence ;bioluminescence ;sonoluminescence.

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Sources et Détecteurs Généralités

Les sources de rayonnement lumineux

les sources naturelles ;les lampes à incandescence ;les lampes à décharge dans les gaz sous faible pression, et sous hautepression ;les lasers.

Soleil Étoile Lune Lampe à filament LaserSirius de tungstène He-Ne (1 mW)

E (W.m−2) 200 1× 10−9 0, 3× 10−3 100 20 000

Comparatif des éclairements produits par différentes sources lumineuses

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement naturel, . . .

Source naturelle : le soleil

Distribution spectrale de l’éclairement solaire hors atmosphère :

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

500

1000

1500

2000

2500

λ (µm)

(W/m )E

2

en moyenne E ≈ 1350 W/m2.

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement naturel, . . .

Rayonnement solaire sur Terre

Traversée de l’atmosphère :

diffusion

sol

absorption

absorption + diffusion = extinction

Influence de la position zénithale :

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à incandescence, . . .

Sources artificielles par incandescence → Flamme

Réaction exothermique entre 2 gaz : le carburant et le comburant

Mesure du rayonnement = mesure sans contact de la température

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à incandescence, . . .

Sources artificielles par incandescence → Lampe à filament

créée par Edison en 1879

Lampe à filament de tungstène :

filament porté à 2500 ◦Krésistivité ↑ avec Tcomparaison corps noirTP S4

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à incandescence, . . .

Application : Pyromètre à disparition de filament

F. CABANNES, Pyrométrie optique, Techniques de l’ingénieur R 2610

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à décharge, . . .

Lampes à décharge dans les gaz

Une décharge électrique entre 2 électrodes ionise le gaz

à basse pression → raies spectralespar ex. mercure, sodium, zincà haute pression → rayonnement très intense et distribution spectralecontinue

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers

Laser : Source monochromatique très intense et trèscohérente

Pour donner un aperçu du principe de fonctionnement :

Émission de la lumière par les atomes :⇒ la transition des atomes d’un niveau d’énergie atomique vers unniveau plus faible, ε2 → ε1⇒ la fréquence de l’onde est :

ν =ε2 − ε1h

où h est la constante de Planck

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers

Laser : Principe de fonctionnement

Il existe 3 types de transition entre les deux niveaux atomiques :

émission spontanée → caractère aléatoire, prépondérante dans lessources classiques ;absorption ;émission induite = émission cohérente ;

2

1ε

émissionspontanée

absorption émission induite

ε

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers

Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Émission stimulée de lumière.

2

1

3εε

ε

Pour maintenir l’amplification, l’émission stimulée doit être plus forteque l’absorption → inverser les populations atomiques.

Possible que si on amène les atomes sur un troisième niveau d’énergieε3 > ε2 grâce au pompage électrique.

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers

Laser : 6= types

à gaz→ Hélium-Néon λ = 0.6328 µm, interférométrie, holographie,

spectroscopie, reconnaissance de code-barres, . . .→ Argon 0.488 µm et 0.5145 µm, luminothérapie rétinienne, lithographie,

microscopie confocale, spectroscopie, stimulateur pour d’autres lasers→ N2-CO2 10.6 µm, usinage des matériaux (coupe, soudure), chirurgie

solide→ rubis 0.6943 µm Holographie, suppression de tatouages.

C’est le 1er inventé en mai 1960 !→ Nd-YAG 1.064 µm, usinage, télémètre laser, désignation d’une cible

Laser à haute puissance, utilisé en mode pulsé (≈ ns).à semiconducteurs→ AlGaAs où 0.63 ≤ λ ≤ 0.9 µm, disques optiques, pointeurs lasers,

transmission de données.Celui à 780 nm des lecteurs CD est le plus commun dans le monde.

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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers

Laser : Propriétés à retenir

Le laser est :une source monochromatiqueune source cohérente

Au sein du faisceau laser, l’intensité est une gaussienne

I(r) = I0 exp

(−2r2

w2

)

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Sources et Détecteurs Détecteurs

Détecteurs de rayonnement → convertisseur d’énergie

Signal optique → détecteur → Signal électrique, thermique ou mécanique

œilplaque photographiquedétecteurs thermiquesdétecteurs photoélectriques

photoémissionphotoconductivité

détecteurs CCD

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Sources et Détecteurs Détecteurs

Détecteurs de rayonnement : 5 propriétés communes

la sensibilité spectrale S(λ) = rapport du signal de sortie sur le fluxlumineux en entrée du détecteur, en fonction de λla constante de temps τ = durée nécessaire pour que la réponseatteigne 63% de sa valeur maximale lorsqu’on éclaire le détecteurle domaine de linéarité, pour lequel la réponse du détecteur estproportionnelle au flux lumineux incidentl’efficacité quantique ηq = rapport du nbre de photons arrachés par lerayonnement incident, sur le nbre de photons incidents, pendant lamême duréele bruit, soit l’ensemble des réponses qui n’ont aucune relation avec lerayonnement lumineux.

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Sources et Détecteurs Détecteurs thermiques

Détecteurs thermiques : rayonnement → chaleur

Le domaine spectral est très étendu, mais ces détecteurs sont très lents.

Thermopile (chaîne de thermocouples)Cristal pyroélectriqueBolomètrePneumatique

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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques

Détecteurs photoélectriques : 1 photon → 1 électron

Photoémission → le photomultiplicateurL’électron est excité près de la surface du matériau et sort hors de celui-ci.Le matériau est sous forme d’une couche mince déposée sur une électrode,la photocathode, placée dans une ampoule vide de gaz.Une électrode polarisée +, l’anode, attire tous les électrons qui sortent.

photonincident

photocathode

électrode de focalisation

connecteursélectriques

anode

tube photomultiplicateur

électrons

dynode

Réponse spectrale large, τ ≈ 1 ns, seuil de détection très bas mais fragile,emcombrant et cher.

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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques

Détecteurs photoélectriques : 1 photon → 1 électron

Photoconduction → la cellule photoconductriceDans un matériau semiconducteur homogène polarisé, l’effetphotoélectrique interne provoque une ↑ de la conductivité, soit une ↓ de larésistivité.

Applications : capteur de proximité, détecteur de passage, télémètre

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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques

Détecteurs photoélectriques : 1 photon → 1 électron

Photovoltaïque → la photodiodeUne photodiode correspond à une jonction PN, soit un composant où 2semi-conducteurs sont mis en présence :

un de type N→ à porteurs de charges négatifs (électrons) majoritaires.un de type P → à porteurs de charges positifs (trous) majoritaires.

Sans polarisation, soumise à un flux incident, on observe alors uneaugmentation du courant. C’est alors un capteur actif.

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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques

Détecteurs CCD (Charge-Coupled Device)

Dans le substrat semi-conducteur → effet photoélectrique. Puis collecte desélectrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque pixel.À la fin de l’exposition, les charges sont transférées de photosite enphotosite jusqu’au registre horizontal. Elles sont transformées en tension,proportionnelle au nbre d’électrons, dans la capacité d’une diode ”flottante”.

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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques

Plan du cours

1 Introduction2 Principes3 Systèmes optiques4 Sources et Détecteurs5 Applications

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Applications

Applications

Visualisations et mesures non intrusives en mécanique des fluides :ombroscopievélocimétriegranulométrie laser

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Applications Ombroscopie

Ombroscopie

Les variations d’indice d’un milieu induisent des variations d’orientation :

z

Ecran

n(z)=n -α.z0

I(z)=csteI(z)=cste

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Applications Ombroscopie

Ombroscopie

Gradient d’indice non constant :

z

Ecran

n(z)=f(z) et

I(z)=f(z)I(z)=cste

dn dz 0

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Applications Ombroscopie

Ombroscopie

Interaction bulle/onde de choc (IUSTI, Houas, Jourdan)

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Applications Ombroscopie

Ombroscopie

Application à un panache thermique (TP) :

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Applications Vélocimétrie laser

Vélocimétrie laser

Mesure non intrusive des vitesses d’écoulementsource : laserprincipe : interférences

L’écoulement contient des traceurs passifs (petites particulesentraînées par l’écoulement) ;le volume de mesure est le volume d’intersection des deux faisceaux :la vitesse mesurée est selon x

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Applications Vélocimétrie laser

Schéma général

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Applications Vélocimétrie laser

Diffusion par les traceurs

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Applications Vélocimétrie laser

Détection de signal

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Applications Vélocimétrie laser

Calcul de la vitesse

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Applications Vélocimétrie laser

Système à 3 composantes

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Applications Vélocimétrie laser

Domaines d’application

écoulements laminaires ou turbulentsaérodynamiqueécoulements supersoniquesturbines, moteurs, ...environnements chauds (flammes, ...)

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Applications Granulométrie

Granulométrie laser

Extension du principe de la vélocimétrie :Mesure de la vitesse et de la taille de particules sphériques.

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Applications Granulométrie

Géométrie

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Applications Granulométrie

Réfractions multiples

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Applications Granulométrie

Domaines d’application

aérosols et atomisation liquide :injection de carburantpeintureagricultureaérosols pharmaceutiquescosmétique

Production de poudresséchage d’aérosolsatomisation métal liquide

Dynamique de bullescavitationaérationtransfert multiphasique

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Pour en savoir plus

Pour en savoir plus . . .

à la bibliothèque”OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE ET ONDULATOIRE, avec exercices etproblèmes résolus”, par J-P. Perez, 4eme édition, Masson, Paris, 1994,ISBN : 2-225-84270-1.”Rayonnements optiques. Radiométrie-Photométrie”, F. Desvignes,Masson, Paris, 1991, ISBN : 2-225-82232-8.”Comprendre et appliquer l’optique”, M. Gabriel, C. Ernst, J. Grange,Masson, Paris, 1986, ISBN : 2-225-80829-5

cours sur le web :http://www.optique-ingenieur.org/

exercices sur le web :http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/claude_saintblanquet/synophys/353exopg/353exopg.htmhttp://www.tsisoa.com/spip/IMG/pdf/zzz_suppexos_og1_og2_optique_geometrique.pdf

http://sosryko.fr/atelier/Phy.Optique/Opt-Exos_2009-2010.pdf

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