TP4-lumieres.doc - JF Noblet

TP
A PROBLEMATIQUE de l'ENDOSCOPIE L'endoscope moderne, souvent appelé fibroscope, comporte deux faisceaux de
fibres optiques :
. l'un, le faisceau incident éclairant, transmet la lumière au tissu à
examiner,
. et l'autre, le faisceau image transmet l'image à l'observateur.
Le faisceau éclairant est couplé à une source lumineuse très intense (lampe
à arc au xénon), tandis que l'autre comporte à ses extrémités un objectif
et un oculaire. Chaque fibre ne transmet qu'une petite partie de l'image,
mais le faisceau ne comporte pas moins de 10000 fibres pour un diamètre
global de moins de 1mm. L'ensemble reste souple et peut aisément être
déplacé et orienté grâce à un manipulateur.
En effet, l'endoscopie évite parfois au médecin d'ouvrir les entrailles de
ses patients pour être en mesure de diagnostiquer les maladies dont ils
souffrent. La technique d'endoscopie, qui utilise les fibres optiques, est
donc beaucoup moins douloureuse et destructrice que l'opération
traditionnelle. FIBRE OPTIQUE :
Elle est constituée d'un c?ur et d'une gaine transparente choisis de telle
sorte que la lumière a une vitesse plus faible dans le c?ur que dans la
gaine. Lorsque la fibre est éclairée à une extrémité la lumière est
transmise à l'autre extrémité quelle que soit la courbure de celle-ci
Problématique : Alors que la fibre optique est constituée de matériaux
transparents comment la lumière y reste-t-elle piégée ? B EXPERIENCES
Matériel : On dispose d'une source de lumière envoyant un faisceau lumineux
très resserré figurant des rayons lumineux.
. Dans la configuration 1 la lumière passe de l'air au plexiglas au
point I
. et dans la configuration 2 la lumière passe du plexiglas à l'air au
point I2. L'air et le plexiglas sont 2 milieux transparents comme les 2 milieux
transparents de la fibre optique. 1. Expérience et repérage
a. Expériences
i. Faire varier l'angle i1 pour les montages 1 et 2 et indiquer pour
quel montage la lumière ne traverse pas du tout le dioptre sous
certaines conditions à préciser.
ii. Quel milieu pourrait être le c?ur d'une fibre et la gaine d'une
fibre ? Air ou plexiglas ?
iii. Quand il y a réflexion de la lumière que peut-on dire de l'angle r
(angle entre la normale et le rayon réfléchi) par rapport à l'angle
i1
b. Vérification :
i. Calculer la vitesse de la lumière dans l'air et dans le plexiglas. Données : -la vitesse de la lumière dans le vide est c = 3.108 m/s.
-l'indice de réfraction de l'air est n air = 1 , l'indice de
réfraction du plexiglas est n plexi = 1.5
-la vitesse de la lumière v dans un milieu transparent est telle
que l'indice du milieu n =
ii. Les résultats de l'expérience correspondent-il au texte « la
lumière a une vitesse plus faible dans le c?ur que dans la
gaine. ». Quel est donc le milieu qui doit avoir le plus fort
indice de réfraction dans une fibre optique: gaine ou c?ur ?
2. Angle critique
Le principe de la réflexion totale interne est à la base de la propagation
des ondes lumineuses dans la fibre optique. D'après ce principe, lorsqu'un
rayon lumineux passe d'un milieu à un autre dont l'indice de réfraction est
plus faible, il peut être réfléchi. De plus, lorsque l'angle d'incidence du
rayon lumineux est plus grand que l'angle critique, la lumière est
réfléchie en totalité et il n'y a aucune perte de lumière (figure ci-
dessous). La réflexion totale interne est régie par deux facteurs : les indices de
réfraction des deux milieux et l'angle critique. Ces facteurs sont reliés
par l'équation suivante : sin ?c =.
Vérification
Mesurer l'angle critique pour votre montage, calculer le sinus
de cet angle et vérifier qu'il est égal au rapport des 2
indices.
3- Différentes fibres optiques
Dans le cas d'une fibre optique multimode à saut d'indice, l'indice
de réfraction varie brusquement quand on passe du c?ur à la gaine.
Le guidage de la lumière se fait suivant des lignes brisées.
Dans le cas d'une fibre optique multimode à gradient d'indice, la
gaine possède un indice de réfraction progressif, celui de l'âme
est plus grand que celui de la périphérie, le faisceau lumineux
suit une trajectoire d'allure curviligne. Le faisceau lumineux
change de direction moins brusquement lors du rebond ce qui diminue
les pertes.
Question : Associer les 2 schémas correspondant à la fibre
multimode à saut d'indice et les 2 schémas correspondant à la
fibre multimode à gradient d'indice
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TP4 : Fibres optiques