Focalisation (optique) - Définition
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Focalisation des faisceaux laser
La focalisation d'un faisceau laser est assez différente de celle des pinceaux lumineux de l'optique géométrique. En effet, la propagation d'un tel faisceau, et plus généralement ses propriétés de diffraction, suivent les lois spécifiques de l'optique gaussienne. Ceci étant dû à la répartition gaussienne de l'intensité dans le plan transverse (perpendiculaire à la propagation) du faisceau.
Focalisation de rayons provenant d'un objet proche et étendu
On cherche fréquemment à avoir une image d'un objet proche et étendu. C'est le cas par exemple de la photographie et de la microscopie.
Un des paramètres importants est la distance de l'objet observé à l'objectif, ou plutôt à son plan focal. C'est tout le problème de la mise au point et de la profondeur de champ.
Mais la focalisation intervient aussi dans d'autres méthodes d'observation :
- focalisation par une lentille électromagnétique dans un microscope électronique en transmission, pour obtenir le cliché de diffraction.
- focalisation des rayons X par un miroir parabolique dans un diffractomètre.
Analyse spectrale par un réseau courbe
Une des méthodes pour décomposer la lumière consiste à la faire diffracter sur un réseau optique plan (c'est ce phénomène qui donne les irisations sur un disque compact). Un réseau plan consiste en de nombreuses lignes parallèles espacées uniformément, chaque ligne diffusant la lumière dans toutes les directions (contrairement au miroir qui ne réfléchit un rayon donné que dans une seule direction). Les interférences à l'infini (c'est-à-dire loin du réseau) font que seules certaines couleurs ressortent dans certaines directions. Ceci permet d'analyser le spectre de la lumière : on regarde l'intensité de la lumière dans telle ou telle direction, on sait que chaque direction correspond à une longueur d'onde donnée. Notamment, cela permet de caractériser certains phénomènes qui émettent de la lumière. Par exemple, le spectre d'une étincelle faite sur un matériau est caractéristique de la composition chimique du matériau.
Cependant, ce système présente deux inconvénients :
- il faut que le flux de lumière qui arrive sur le réseau soit parallèle ;
- le détecteur doit être suffisamment loin pour pouvoir considérer les interférences à l'infini.
Dans de nombreux cas, la source de lumière est ponctuelle (comme par exemple dans le cas de l'étincelle). On peut alors utiliser un réseau courbe, sous la forme d'une partie de cylindre (un arc de cercle vu de profil), les traits du réseau étant parallèles aux génératrices du cylindre, et l'on place la source sur le cercle. D'après l'une des propriétés géométriques du cercle, tous les rayons subissant une déviation donnée vont converger vers un même endroit du cercle. Ainsi, si l'on place le détecteur sur un point du cercle, on sait que tous les rayons qui y arrivent ont subi la même déviation, leur interférence est donc similaire à une interférence à l'infini.
On a donc focalisé les rayons. Le cercle de focalisation (celui sur lequel se trouvent le réseau, la source et le détecteur) s'appelle le cercle de Rowland.
Ce principe est également utilisé dans les diffractomètres de rayons X : la source de rayons X est ponctuelle, et l'échantillon est courbe et suit le cercle de Rowland, ou bien est plan et tangentiel au cercle de Rowland (focalisation approchée)
Analyse spectrale par un réseau spiralé
Une spirale logarithmique possède la propriété suivante : l'angle entre le rayon et la tangente est constant. Ceci confère des propriétés intéressantes vis-à-vis de la focalisation. On utilise des cristaux courbes avec les rayons X, dans les monochromateurs pour la diffraction X, ou pour les appareils multicanaux de fluorescence X.
