Laser Hélium-Néon. Concours GEIPI 2015


On s’intéresse à la lumière rouge monochromatique de longueur d’onde l = 633 nm émise par un
laser hélium-néon.
Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,0.108 m.s-1 ;  constante de Planck : h = 6,63 . 10-34 J.s
1 eV = 1,6.10-19 J.
 Quelle relation lie la longueur d’onde dans le vide l à la période T. Calculer la période T.
l = cT ; T = l / c = 633 10-9 / (3,0 108)=2,1 10-15 s.
 Donner l'expression de la fréquence n correspondante. Faire l’application numérique.
n = 1/T = 1/(2,11 10-15) =4,7 1014 Hz.
Exprimer l’énergie associée à un photon laser de fréquence . Faire l’application
numérique. Convertir en électronvolt.
E = h n = 6,63 10-34 *4,74 1014 =3,1 10-19 J
3,14 10-19 / (1,6 10-19 )=1,96 ~2,0 eV.
Dans un laser hélium néon, le pompage est effectué entre des niveaux d’énergie de l’hélium, mais
ensuite la transition laser s’effectue entre des niveaux énergétiques du néon. Ainsi, la figure suivante représente un diagramme simplifié des niveaux d’énergie du néon.

En déduire à partir du diagramme, entre quels niveaux s’effectue la transition responsable de la lumière rouge du laser ?
E5-E2 = 20,66-18,70 =1,96 eV. Transition du niveau 5 au niveau 2.
 Pourquoi la transition mise en jeu est de type électronique ?
Une transition électronique correspond à l'émission ou à l'absorption d'un photon du domaine visible ou du domaine UV.
On utilise le faisceau laser pour déterminer la taille d’un cheveu. Pour cela, on réalise l’expérience
schématisée ci-dessous. Un faisceau laser éclaire un cheveu d’épaisseur a. On observe
des taches lumineuses sur un écran placé à une distance L du cheveu. Ces taches sont séparées
par des zones sombres. La largeur de la tache centrale vaut d.





Comment s’appelle le phénomène observé ?
Phénomène de diffraction.
Dans quelle situation ce phénomène est-il le plus marqué ?
La dimension du cheveu doit être de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière.
A partir du schéma, et en se plaçant dans l’approximation des petits angles, on peut montrer que
l’écart angulaire noté q sur le schéma peut s’écrire q = d / (2L).
Rappeler la relation qui lie l’écart angulaire q à la longueur d’onde l et à l’épaisseur a du
cheveu. q = l / a.
On mesure L = 1,50 m et d = 3,4 cm. En déduire la valeur de l’épaisseur a du cheveu.
a = 2 l L /d = 2*633 10-9 *1,50 / (3,4 10-2) = 5,59 10-5 ~5,6 10-5 m.
On modifie la distance entre le cheveu et l’écran, on prend L = 0,50 m. Comment évolue
la taille de la tache centrale ? Justifier la réponse.
d = 2 l L/a ; d et L sont proportionnels. Si l est divisée par trois, d est divisé par trois.
 Afin de limiter le phénomène dans le cas de la lecture de données sur un CD, quelle serait la couleur de la lumière la plus adaptée ? Justifier.
Il faut diminuer la longueur d'onde en utilisant une lumière bleue.

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