diode laser collimatée et modulable

RANCH
NOTICE D'UTILISATION
T
'nseignement
1, rue Jacquard
69680 CHASSIEU
Tel: 78-90-72-72
Télécopie : 78-40-69-30
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Réf.: R42094
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SOMMAIRE
I) CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE LA DIODE LASER VXL493 et de ses accessoires :
3
1) Diode :
3
2) Accessoires :
3
il) MODE D'EMPLOI ET PRECAUTIONS D'USAGE :
3
1) Mise en service :
3
2) Précautions essentielles d'usage :
3
3) Les divers usages de la diode laser dans l'enseignement secondaire (manipulations de TP) :
4
III) QUELQUES EXPERIENCES, DE TP, DE LYCEE, UTILISANT LA DIODE LASER
4
1) Le Stroboscope électronique (classe de seconde) :
4
2) QUELQUES EXPERIENCES QUANTITATIVES D'OPTIQUE PHYSIQUE CONTRIBUANT A LA
MESURE DE LA LONGUEUR D'ONDE LASER ( 670 nm )
5
2-1 DIFFRACTION par un réseau du faisceau laser (classes de 2ème et Terminales)
5
2-2 DIFFRACTION DU FAISCEAU LASER PAR UNE FENTE (programme de seconde)
6
2-3 INTERFERENCES LUMINEUSES EN LUMIERE LASER (MONOCHROMATIQUE) AVEC FENTES
D'YOUNG (classes de 1ère et Ter scientifiques)
3) EXPERIENCE DE MODULATION DU FAISCEAU LASER
8
10
3-1 MODULATION EN AMPLITUDE DU FAISCEAU LASER PAR UNE TENSION ALTERNATIVE ET
RECEPTION DU FAISCEAU MODULE
10
3-2 MODULATION DU FAISCEAU LASER PAR LA TENSION DE SORTIE D'UN CI MUSICAL ET
TRANSMISSION A DISTANCE DE LA MELODIE (Principe TSF et téléphonie par fibre optique)
10
ANNEXE
12
Circuit intégré musical (compris dans la valise acoustique) UM 66T
12
I) CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE LA DIODE LASER VXL493 et de ses accessoires :
1) Diode :
" Diode laser TOSHIBA Ref TOLD9200(S)= 670 ± 10 nm (lumière monochromatique non polarisée,
cohérente)
" Alimentation continue : entre 10 et 15 Volts (protection par un régulateur 8v) par douilles bananes 4 mm.
" puissance émise <1 mW (appareil de classe IIIB).
" une fixation sur la base inférieure, au pas standard M6 pour pied.
" Modulation TTL du faisceau laser : se fait par douille BNC et à partir d'un signal électrique :
- de fréquence comprise entre 0 et 100Khz
- de forme carrée.
- de tension crête 8 Volts. (Maximum)
" Autocollimation : elle se fait à partir d'une lentille convergente de 50 dioptries, mobile par rotation avec
blocage par contre écrou. Elle permet d'obtenir des faisceaux parallèles (d = 5 mm), convergents ou
divergents.
" porte diapositives mobile en translation devant le faisceau laser.
2) Accessoires :
" Ils sont constitués de 3 diapositives pour expériences de diffraction et d'interférences lumineuses :
- 1 réseau 530 traits par transmission
- 1 ensemble de trois fentes rectangulaires : H=10mm et d'épaisseurs e1=100 um, e2=200 um et
e3=300 um.
- 1 ensemble de trois doubles fentes d'Young H=10 mm ; e=100 um et de distances moyennes (a)
entre les deux fentes : a1=175 um ; a2=350 um ; a3=700 um.
I!) MODE D'EMPLOI ET PRECAUTIONS D'USAGE :
1) Mise en service :
" l'alimentation de la diode laser peut se faire à partir d'une alimentation 12 volts ou 15 volts DC (le GBF
VX592 dispose d'une telle tension sur sa face arrière). La puissance consommée, de l'ordre de 1,5 Watts
est tout à fait compatible avec les 1,5 Watts disponibles sur la sortie (0 + 15v) ou (-15,0v).
Il importe de respecter les polarités, même si l'entrée est protégée contre les inversions.
" la modulation du faisceau laser s'opère à partir de la douille BNC qui peut être par exemple reliée à la
sortie du GBF VX 592. Si ce dernier fournit une tension alternative, à chaque alternance négative de cette
tension, le faisceau laser sera interrompu. La diode laser émet alors des éclairs dont la fréquence est
imposée par le GBF (application à la stroboscopie ou à la modulation quelconque du faisceau laser).
" l'autocollimation s'opère à partir de la lentille placée juste devant la jonction émettrice de la diode laser.
La lentille est accessible par le dégagement prévu à cet effet sur la face supérieure du boîtier. A l'aide du
pouce et de l'index on impose, par rotation, à la lentille de fournir un faisceau laser parallèle, convergent ou
divergent. Cette lentille peut être bloquée par le contre écrou que l'on visse.
ATTENTION : cette lentille autocollimatrice est escamotable.
" le porte diapositives permet de recevoir les diapositives (format standard) portant les sources
diffractantes. Il est mobile en translation devant le faisceau laser, sans être pour autant ESCAMOTABLE.
2) Précautions essentielles d'usage :
Le bon usage de ce matériel impose deux règles fondamentales à respecter pour préserver la sécurité des
utilisateurs et du matériel lui-même :
" le faisceau Insor dont la puissance a été ici VOLONTAIREMENT limitée, ne doit
djrjgé_dansjloj3ll sous peine d'occasionner de graves lésions de la rétine.
la diode laser est un composant robuste quand il est implanté selon les rèylos de montage, mais fragile
devant les contacts du manipulateur, il ne_doit.p.as_è_treLtguclié ei^
3) Les divers usngos do In diodo Insnr dans l'enseignement socondairo (manipulations do TP) :
a) Stroboscope électronique.
b) Marche d'un pinceau lumineux en optique géométrique.
c) Expériences quantitatives de mesure de la longueur d'onde d'une radiation visible à partir de
manipulations d'optique physique (diffraction, interférences...).
d) Modulation d'un faisceau laser, transmission dans l'air ou par fibre optique d'un message codé.
c) Divers : mesures de la célérité de la lumière
construction d'un vélocirnètre laser à effet Doppler...
III) QUELQUES EXPERIENCES, DE TP, DE LYCEE, UTILISANT LA DIODE LASER
1) Le Stroboscope électronique (classe de seconde) :
a) Objectif : mesurer la vitesse de rotation d'un moteur
b) Majéjjel :
- diode laser VXL 493
-GBF
- un coaxial BNC/BNC
- 4 fils de connexion fiche banane
- un fréquencemètre (Beckman TP)
- salle occultable
c) Montage. :
Disque (avec secteur)
VXL 493
Q O
VX592
—2.20V
Diode Laser
_«• Alim
5 Volts
suiveur
de tension
4: 50 A
15V
TTL
GBE
d) Bégiagss :
- régler la lentille d'autocollirnation en la repoussant au maximum vers la jonction érnettrice de façon à
amener celle-ci (supposée ponctuelle) entre le plan focal objet de la lentille et son centre optique. Le
faisceau émergeant possède alors la divergence maximale (diamètre de 3cm à 50cm de la diode laser).
- niveau de sortie du GBF poussé au maximum (5v)
(à niveau trop faible, la modulation ne se fait pas)
- lo GBF est sélectionné sur son mode "générateur" (commutateur arrière).
- pour réaliser un stroboscope convenable, il importe que la durée ( r ) de l'éclair soit brève à l'échelle de sa
période T-1/N. Il est donc très utile d'utiliser lo rapport cyclique (louche " <5 Var") du GBF
d) liléorje :
On veut vérifier la relation sin/7 = kX /d =nk
où d : distance entre 2 fentes voisines du réseau
1/d=n : nombre de traits par mètre ou par mm
kEZ
X : longueur d'onde du faisceau laser
0 : angle formé par la direction de la frange centrale (k=0) et la frange claire d'ordre k
D : distance réseau/écran
e) BésuJiats :
- avec le réseau à n = 530 traits mm
-EXP1 : D = 150cm
k= 1
2x - 115cm
tanfl = x/D ==> 0 - 20,97' ==> Sinfl = 0,358
or X - sinfl/kn =->
soit
X = 0,358/1 *530.103= 675.10~9m
X - 675 nin résultat à mieux que 1 %
- EXP2 : D = 50 cm
k = 2 (2ème ordre, pas lumineux d'où l'intérêt d'une salle sombre)
2 x = 102 cm
tan0 = 51/50 ==> Sinfl = 0,714
==>
soit
X = 0,714/2*530.103=: 674.10~9rn
X = 675 nm
- avec le réseau à 140 traits/rnrn disponible dans la brochure "Spectrokit"
On réalise les mêmes mesures avec ce réseau moins DISPERSIF, on peut ainsi travailler sur plusieurs
ordres de diffraction (k= 3, 4 ou 5) et retrouver la longueur d'onde du faisceau laser avec une précision
presque identique à la précédente expérience.
2-2 DIFFRACTION DU FAISCEAU LASER PAR UNE FENTE (programme de seconde)
a) objectif :
- montrer que la lumière ne se propage plus rectilignetnent dès qu'elle franchit des orifices de petites
dimensions (c'est la D1EEHA.GTLQN)
- Montrer que la figure de DIFFRACTION dépend en particulier de la largeur de la fente.
- Accéder au calcul de la longueur d'onde du pinceau monochromatique.
b) maléjjej :
- Diode laser VXL 493 et le GBF VX 592
- Diapositive avec 3 fentes simples
- double mètre, et double décimètre
- salle occultable
. enfoncer la touche " ô Var"
. tourner le bouton " 5 Var" à fond dans le sens anti-horaire
. sélectionner le signal de forme créneau !n"
Dans ces conditions, le rapport r /T=0,2 (20%) : la durée de l'alternance de la tension de modulation qui
permet l'émission laser n'est alors que de 20% de la période de cette tension. Il en va de même de la durée
des éclairs.
- sélectionner la touche à décade "10 Hz" (on travaille principalement entre 10 et 100 Hz ; le moteur étant en
danger au delà de 6000 tr/min !).
- ia fréquence N des éclairs est lue avec une meilleure précision (mieux que 1%) sur le fréquencemètre
branchée sur la sortie TTL (par exemple) du G8F.
2) QUELQUES EXPERIENCES QUANTITATIVES D'OPTIQUE PHYSIQUE CONTRIBUANT A LA MESURE DE
LA LONGUEUR D'ONDE LASER ( 670 nm ).
2-1 DIFFRACTION par un réseau du faisceau laser (classes de 2"
et Terminales)
a) Objectif :
- observer le spectre d'une lumière monochromatique et mesurer sa longueur d'onde.
b) Matériel :
- diode laser VXL 493 et GBF VX 592
- deux réseaux : - 530 traits/mm (accessoires)
- 140 traits/mm
- un double mètre ruban
- salle occultable
c) Montage et réglages :
- alimenter la diode laser en 15 Volts
- régler la lentille d'autocollimation pour concentrer toute la lumière laser sur l'écran (mur) placé à D=1 ,50 m
(la lumière laser sur chaque table de TP est donc envoyée vers le mur et ne traverse pas le couloir central).
- Placer alors le réseau à 530 traits/mm dans le porte diapo bien positionné.
On est dans ces conditions en incidence normale en présence de lumière quasi parallèle (diffraction de
FRANHAUFER) et en transmission.
15v
''
Frange centrale (k=0)
c) montage et réglages :
- les mêmes que pour la diffraction par un réseau
- on place successivement les trois fentes devant le faisceau laser : e1-100 um; e2=200 um; e3=300 pm
15 v
Ecran
- e : épaisseur de la fente
- X : longueur d'onde du faisceau laser
- 0 : angle formé par la direction de la frange centrale (00') et la droite partant du centre de la fente
diffractante et passant par la franche sombre de diffraction d'ordre k
-kEZ
d est de l'ordre de quelques
degrés
==> sin# X ~ x/D
A
or sin# = kX/e
==> kX/e = x/D ==> X = x.e/kD
\
o.
xya2X/e3X/e4X/9
(la frange centrale, brillante, est double des franges brillantes secondaires et se trouve beaucoup plus
éclaircie)
e) résultats :
Avec e = 100 um
- EXP1 : D = 150 cm (on observe 2 à 3 ordres: k=2 ou 3)
e = 100 um
2x = 38 mm (k= -2 à k=2)
X = 19*100/2*1500= 0,633um
soit X = 633nm
- EXP2 : D = 50 mm (on observe 4 à 5 ordres cette fois)
e = 100 pm
2x= 17,5 mm (k=-3 à k=+3)
X = 17,5*100/2*3*1500 = 0,583um
soit X = 583nm
La précision est moins bonne parce que la figure de diffraction est moins étalée.
De plus, la difficulté dans ces expériences réside dans le repérage des franges sombres de diffraction.
Coller une feuille de papier blanc sur l'écran (le mur) et déplacer sur celle-ci une plaquette noire pour repérer
et noter au crayon les centres des franges sombres...
Avec e = 200 um
- EXP1 : D = 150 cm (on trouve 4 à 5 ordres)
e = 200 |jm
2 x ^ 38 mm (k~-4 :\ k= 14) d'où
X = 3!r200/2M'150()=r O.G33um
soit
X = 633nrn
- EXP2 : D = 50 cm (on observe 6 à 7 ordres)
e = 200 uni
2x = 20 mm (k--G à k=-f 6) d'où
X = 20"00/2'G"500= O.GGOum soit
X = GGOnrn
avec e = 300 um
- mêmes expériences En notant que 2X /e largeur de la frange centrale est inversement proportionnelle à e...
2-3 INTERFERENCES LUMINEUSES EN LUMIERE LASER (MONOCHROMATIQUE) AVEC FENTES
P\ro
D'YOUNG (classes de 1
ot T
or
scientifiquos)
a) Objectif :
- faire refaire par chaque groupe d'élèves la célèbre expérience d'Young (1003) qui fut à la base de la
théorie ondulatoire de la lumière.
- mesurer des interfranges et en déduire par le calcul la longueur d'onde du rayonnement laser utilisé.
- vérifier l'adéquation entre le modèle (formule de l'interfrange) et la réalité : maîtrise des paramètres
i=f( X.D.a)
b) Matériel :
- Diode laser VXL 493 et alimentation du GBF VX 592
- Diapositive avec les 3 doubles fentes et épaisseur e=100um et d'espacernnnl (a) variable: a1= 175um a2=
350 um et a3= 700 um
- double mètre et double décimètre
- salle occultable
- focaliser à nouveau le faisceau laser sur l'écran d'observations.
- interposer la diapositive avec fentes d'Young
- choisir une double fente donnée et l'interposer sur le faisceau laser.
A
x
• FND?
Double fente
d'Young
VXL 493
15v
FNI
• • FND-1
FND-2
Ecran
-
d) Théorie :
- S1, S2 sources cohérentes, monochromatiques en phase distantes de a = S1S2
- D distance des sources à l'écran
- FND franges noires de diffraction : à cette distance des sources, les deux figures de diffraction se
superposent encore assez rigoureusement et les interférences apparaissent le plus clairement dans la
frange centrale, commune, de diffraction.
- FNI frange noire d'interférence
- à la distance D d'observation ou *
J = ax/D = (2k+1) X 12 pour les FNI ==> i = XD/a
i étant Pinterfrange (distance entre deux FNI voisines)
e) Résultats :
- on vérifie bien que pour chaque double fente, les interférences lumineuses sont d'abord visibles dans la
frange centrale de diffraction, commune, donnée par chaque fente rectangulaire (e = 100 um)
- on vérifie bien que dans les trois cas pour D= 150 cm, la frange centrale de diffraction garde la même
valeur :
2X /e = 19 mm
ce qui est bien la preuve d'une bonne superposition des deux figures de diffraction.
- les interférences lumineuses apparaissent également dans les franges secondaires de diffraction mais sont
beaucoup moins lumineuses.
- EXP1 : mesure de X avec chacune des trois double fentes.
a = 700 um
D = 150cm
i= XD/a==> X =ia/D
\_= 653nm
10i = 14 mm
-EXP2:
a = 350 pm
D = 150cm
4i = 11 mm
-EXP3:
a = 175 um
D = 150cm
i = 6 mm
i= XD/a==> X =ia/D
==> X_=641nm
i = XD/a==> X = ia/D
==> Xj= 7QOnm
-EXP4:
a = 175 um
D = 150cm
5i = 28,5 mm (en comptant des FNI
==> X = 665nm
dans les franges secondaires de diffraction)
On peut, aussi étudier l'influence de a et de D sur i.
Ces mesures donnent des résultats satisfaisants (à mieux que 4 %)
3) EXPERIENCE DE MODULATION DU FAISCEAU LASER.
3-1 MODULATION EN AMPLITUDE DU FAISCEAU LASER PAR UNE TENSION ALTERNATIVE ET
RECEPTION DU FAISCEAU MODULE.
a) QbiecUi :
- montrer que le faisceau laser peut être modulé en amplitude, à l'émission par une tension alternative de
fréquence f et démodulé à l'arrivée par un récepteur photosensible (photodiode du récepteur du KIT FIBRE
OPTIQUE d'ELECinONIQUE DIFFUSION) et ceci sans modification de fréquence.
b) M_atérieJ :
- Diode laser VXL 493
- GBF VX 592
- coaxial BNC/BMC
- récepteur du kit fibre optique
- fibre optique (éventuellement) du kit.
c) Monia§§ '-
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VXL 493
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Modulation
"
~~
l-
VX592
_.
_Op
_r 50 A
4
13+ TTL
1
\{
—
- 220v
1
-r
Diode Laser
Faisceau laser
modulé
r
o—
Uv —
\'^~ ' '
Récepteur
du KIT
15V
[.:
6
GBF
d)
- moduler la diode laser avec une tension alternative de fréquence comprise entre 20 et 20000 Hz (mesurée
au fréquencemètre) et vérifier que le faisceau laser modulé perçu par le récepteur a la même fréquence.
- faire varier la fréquence et la forme du signal électrique modulant.
- utiliser la fibre optique pour faire cheminer le faisceau laser.
3-2 MODULATION DU FAISCEAU LASER PAR LA TENSION DE SORTIE D'UN Cl MUSICAL ET
TRANSMISSION A DISTANCE DE LA MELODIE (Principe TSF et téléphonie par fibre optique).
a) Objectif :
- modulation en amplitude du faisceau de la diode laser par une mélodie musicale fournie par un circuit
intégré type UM66T.
b) Moulage :
7
VX592)
680 ohms
A
A
15V
_
GE3FVXS92 —
VXL 493
UMGflT
Faisceau laser
modulé
Alim
Récepteur
du KIT
libre optique
PLATINE
in
15 V
i oouF
VXL 493
3j222S£ï"
+ 15v
é-
Faisceau laser
? c '
Diode Laser
o >> o
C\ ,
Ze-^
V
/
\
T
x
/g
^«k.
^eiS^
Y
A
Y9
modulé Alim I
12v=
Récepteur
du KIT
fibra optique
8
Dl A T S M C 1 VOCC
d) Réglages et résultats :
- régler l'autocollimation pour obtenir un pinceau laser (lumière parallèle)
- utiliser la diode zéner de 3v de la valise en application de son rôle régulateur de tension et les 15v du
GBF VX592.
- relancer la mélodie en actionnant deux fois (arrêt + marche) l'interrupteur du GBF
- le faisceau laser modulé peut cheminer plusieurs mètres dans l'air, il doit être aligné avec le connecteur du
récepteur.
- la présence de la capacité à la sortie du circuit intégré musical est nécessaire pour séparer la composante
continue qui se superpose à la mélodie elle-même.
YA
2V--
- on le constate sur l'oscillogramme YA (mode AC/DC) où on peut suivre l'évolution en créneau du signal
émis par le circuit intégré musical.
- on peut aussi faire cheminer le message musical par fibre optique.
e) Application :
- cette expérience facile à réaliser par un groupe d'élèves (2è, 1L, 1ES...) est spectaculaire et ludique. Elle
illustre le principe de la transmission de l'information à distance par le canal de la modulation en amplitude
d'une porteuse électromagnétique ici dans l'air (principe de la radio) TSF et de la transmission des
communications téléphoniques qui de plus en plus délaissent le cable au profit de la fibre optique (usage de
diodes lasers à 1,3 ou 1,5 um ce qui présente l'avantage avec les fibres optiques en silice (quelque 100um)
de n'avoir à amplifier le signal optique modulé que tous les 90 km environ contre 4 à 5 km avec le câble
cuivre).
Il
I?.
ANNEXE
Circuit intégré musical (compris dans la valiso acoustique) UM 66T
- C'est un générateur de mélodies qui contient un oscillateur, une mémoire de notes, une mémoire de
rythme, une mémoire de tempo et un étage de sortie.
- Sa sortie est à haute impédance
- Seul, il peut engendrer la mélodie avec un HP haute impédance — > piezo (valise acoustique)
- Pour avoir plus de puissance, il faut un amplificateur —> HP 500,
- Le Cl se présente sous la forme d'un composant à 3 pattes que l'on pourra implanter sur un porte
composant à transistor du coffret d'électronique Lycée en respectant la fonction de chacune de ses pattes.
10
asse
- 3V
— sortia
— Masse
Masse
HP "3V
3V < —
Vue de dessus
SUPPORT TRANSISTOR DU COFFRET
Ce composant ludique, attractif, peu coûteux qui incarne un type de circuit à mémoire, reçoit des
applications diverses telles que : cartes postales et bougies d'anniversaire, mélodies téléphoniques
d'attente...
I?