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Physique · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — TSI

Optique ondulatoire : Interférences à ondes multiples

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Dans le cas d'interférences à ondes multiples (ex: Fabry-Pérot), l'amplitude résultante est la somme d'une série géométrique : $A = A_0 \sum_{n=0}^{\infty} (r^2 e^{i\phi})^n$. L'intensité transmise $I_t$ est donnée par la formule d'Airy : $$I_t = \frac{I_{max}}{1 + F \sin^2(\frac{\phi}{2})}$$ où $F = \frac{4R}{(1-R)^2}$ est le coefficient de finesse. La différence de phase est $\phi = \frac{4\pi n e \cos(r)}{\lambda}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer la différence de marche $\delta = 2ne \cos(r)$ pour une lame à faces parallèles.
  2. Déterminer les conditions d'interférences constructives : $\delta = k\lambda$.
  3. Utiliser la formule d'Airy pour tracer le profil de transmission en fonction de $\phi$.
  4. Calculer la finesse $N = \frac{\pi \sqrt{R}}{1-R}$.

Exemples corrigés

Exemple : Soit un Fabry-Pérot avec $R=0,9$. $F = \frac{4 \times 0,9}{(1-0,9)^2} = \frac{3,6}{0,01} = 360$. La finesse est $N = \frac{\pi \sqrt{0,9}}{1-0,9} \approx 29,8$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre la différence de marche avec celle des interférences à deux ondes (ici, on somme une série).
  • Oublier le facteur $2$ dans la différence de marche pour une lame.
  • Négliger l'absorption dans les miroirs réels (à vérifier par le professeur).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Optique ondulatoire : Interférences à ondes multiples

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La formule d'Airy décrit :

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre interférences à deux ondes et ondes multiples ?
  1. Dans les interférences à deux ondes (ex: Michelson), seules deux ondes interfèrent.
  2. Dans les ondes multiples (ex: Fabry-Pérot), une infinité d'ondes interfèrent après des allers-retours.
  3. Résultat : les franges sont beaucoup plus fines et intenses dans le cas des ondes multiples.

💡 À retenir : Les ondes multiples permettent une meilleure précision spectrale.

kifach n7seb la finesse d'un Fabry-Pérot ?
  1. Khsek t3ref معامل الانعكاس $R$ ديال المرايات.
  2. St3mel l'équation $N = \frac{\pi \sqrt{R}}{1-R}$.
  3. Ila kano les miroirs mthaliyin (parfaits), $R$ كتكون قريبة لـ 1.

💡 À retenir : Plus $R$ est grande, plus la finesse est élevée et les pics sont étroits.

Est-ce que la formule d'Airy est toujours valable ?
  1. Oui, pour un interféromètre de Fabry-Pérot idéal.
  2. Elle suppose que les miroirs sont parfaitement parallèles et plans.
  3. Elle ne prend pas en compte les défauts de surface ou l'absorption du matériau.

💡 À retenir : La formule d'Airy est un modèle théorique idéal.

wach l'ordre d'interférence k khaso ykon dima entier ?
  1. Oui, pour avoir des interférences constructives (maxima d'intensité).
  2. Si $k$ n'est pas entier, on est entre deux franges, donc l'intensité diminue.
  3. La condition $2ne \cos(r) = k\lambda$ doit être respectée pour les maxima.

💡 À retenir : $k$ est un entier positif qui définit le numéro de l'anneau.

Comment varie l'intensité si on change l'épaisseur e ?
  1. Si $e$ change, la différence de marche $\delta$ change.
  2. Les maxima se déplacent.
  3. Si $e$ varie de $\lambda/2$, on passe d'un maximum au suivant.

💡 À retenir : Le Fabry-Pérot est très sensible aux variations d'épaisseur.

kifach n3ref wach l'interférence constructive wla destructive ?
  1. Constructive : $\delta = k\lambda$ (maxima de transmission).
  2. Destructive : $\delta = (k + 1/2)\lambda$ (minima de transmission).
  3. F l'interféromètre, les maxima sont très étroits.

💡 À retenir : On cherche les pics de transmission pour les interférences constructives.

Pourquoi les anneaux sont-ils plus fins que ceux de Newton ?
  1. Les anneaux de Newton sont des interférences à deux ondes (sinusoïdales).
  2. Le Fabry-Pérot utilise des ondes multiples qui "s'annulent" partout sauf aux pics.
  3. La sommation des ondes réduit la largeur des pics.

💡 À retenir : La finesse augmente avec le nombre d'ondes interférentes.

Est-ce que la longueur d'onde influence la finesse ?
  1. Oui, car $R$ (coefficient de réflexion) dépend souvent de $\lambda$.
  2. Si $R$ change avec $\lambda$, la finesse change.
  3. C'est pour cela qu'on utilise des traitements diélectriques pour une plage précise.

💡 À retenir : La finesse est dépendante de la qualité des miroirs à la longueur d'onde utilisée.

C'est quoi l'intérêt du Fabry-Pérot en spectroscopie ?
  1. Il permet de séparer deux longueurs d'onde très proches.
  2. Son pouvoir de résolution est bien meilleur qu'un réseau de diffraction classique.
  3. Il agit comme un filtre passe-bande très sélectif.

💡 À retenir : C'est un instrument de haute résolution spectrale.

Que se passe-t-il si les miroirs ne sont pas parallèles ?
  1. La différence de marche $\delta$ ne sera plus uniforme sur toute la surface.
  2. Les anneaux seront déformés ou disparaîtront.
  3. La finesse chute drastiquement.

💡 À retenir : Le parallélisme est la condition critique de fonctionnement.

Comment calculer le déphasage phi ?
  1. $\phi = \frac{2\pi}{\lambda} \delta$.
  2. Avec $\delta = 2ne \cos(r)$.
  3. Donc $\phi = \frac{4\pi ne \cos(r)}{\lambda}$.

💡 À retenir : Le déphasage est proportionnel à l'épaisseur et au cosinus de l'angle.

Est-ce que le milieu entre les miroirs doit être de l'air ?
  1. Non, ça peut être du verre ou un autre milieu d'indice $n$.
  2. L'indice $n$ modifie la différence de marche.
  3. Si c'est de l'air, $n=1$.

💡 À retenir : L'indice $n$ intervient directement dans le calcul de $\delta$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un interféromètre de Fabry-Pérot est constitué de deux lames partiellement réfléchissantes séparées par une lame d'air d'épaisseur $e = 1,0$ mm. Le coefficient de réflexion des miroirs est $R = 0,90$.

  1. Calculer la finesse $N$ de cet interféromètre.
  2. Calculer l'intervalle spectral libre (ISL) en fréquence si $c = 3,0 \times 10^8$ m/s.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

On éclaire un Fabry-Pérot avec une source monochromatique de longueur d'onde $\lambda = 600$ nm. L'épaisseur est $e = 0,5$ mm.

  1. Déterminer l'ordre d'interférence $k$ au centre ($r=0$).
  2. Si on incline l'appareil d'un angle $\theta$, comment varie l'ordre d'interférence ?
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Exercice 3

Soit un Fabry-Pérot de finesse $N=30$. On observe deux raies spectrales très proches. Quelle est la condition pour qu'elles soient résolues ?

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