Oui
Lumière et dualité onde-particule
Sujet Bac Corrigé - Laser femtoseconde - Bac S Métropole 2015 (ancien programme) - Ex 3 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2015
Bac S (ancien programme)
Comment graver une cavité de quelques micromètres avec des impulsions de lumière ultra-brèves ? Ce troisième exercice du Bac S 2015 Métropole (5 points, environ 50 min) étudie la micro-texturation de surface par un laser femtoseconde.
- La lumière du laser : justifier qu'il est infrarouge tout en apparaissant rouge.
- L'impulsion : énergie transportée à partir de la puissance crête et nombre de photons émis.
- La résolution de problème : fluence, lecture du taux d'ablation et durée de gravure d'une cavité.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé en PDF sont gratuits.
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Graver la matière avec des impulsions de lumière
Le troisième exercice du Bac S 2015 Métropole vaut 5 points, soit environ 50 minutes. Il présente un laser femtoseconde utilisé pour texturer une surface à l'échelle du micromètre. L'exercice est court mais exigeant sur les puissances de dix et les conversions : térahertz, femtosecondes, micromètres et centimètres carrés se succèdent. Il se termine par une résolution de problème qui enchaîne calcul, lecture graphique et raisonnement.
Un laser infrarouge qui paraît rouge
La première question part de la fréquence centrale, 375 THz. La relation λ = c/ν donne une longueur d'onde de 800 nm, supérieure à la limite du rouge, 780 nm : le rayonnement central est infrarouge. La seconde question explique pourquoi le faisceau paraît pourtant rouge. Le laser pulsé est polychromatique : sa bande, large de 100 THz, s'étend de 325 à 425 THz. À la fréquence la plus élevée correspond la longueur d'onde la plus courte, 706 nm, qui se situe dans le rouge. Une partie du rayonnement est donc visible.
Énergie d'une impulsion et nombre de photons
L'énergie d'une impulsion est le produit de la puissance crête, 1,0 GW, par la durée de l'impulsion, 150 fs : on retrouve 1,5 × 10−4 J, soit 0,15 mJ, la valeur annoncée. Le nombre de photons s'évalue en attribuant à chacun l'énergie hν0 correspondant à la fréquence centrale : on obtient environ 6,0 × 1014 photons par impulsion. Le verbe « évaluer » rappelle qu'il s'agit d'une estimation, puisque les photons d'un rayonnement polychromatique n'ont pas tous la même énergie.
La résolution de problème : durée de gravure
La fluence est l'énergie d'une impulsion rapportée à l'aire du disque gravé, en J/cm². Avec un diamètre de 98 µm, donc un rayon de 4,9 × 10−3 cm, elle vaut 2,0 J/cm². La courbe du sujet donne alors un taux d'ablation de 100 nm par impulsion. Pour creuser 6 µm, il faut 60 impulsions ; à raison de 1,0 × 103 impulsions par seconde, la gravure dure environ 6,0 × 10−2 s, soit 60 ms.
Les pièges à éviter
Oublier que 1 THz vaut 1012 Hz, ajouter toute la largeur de bande à la fréquence centrale au lieu de sa moitié, utiliser la période de répétition à la place de la durée de l'impulsion, oublier les parenthèses autour du dénominateur à la calculatrice, confondre diamètre et rayon ou laisser le rayon en mètres alors que la fluence s'exprime en J/cm².
Conseils de méthode
Concluez toujours une justification par une comparaison chiffrée avec la borne du domaine. Dans la résolution de problème, annoncez chaque étape : fluence, lecture graphique, nombre d'impulsions, durée. La démarche est valorisée même si le calcul n'aboutit pas. Le corrigé détaillé précise les conversions et le nombre de chiffres significatifs à retenir à chaque étape.