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La physique des fontaines laser
24/04/2018
Résumé
Les fontaines laser permettent grâce à la directivité et à l'intensité des faisceaux laser d’expérimenter de façon ludique et spectaculaire les bases de l’optique géométrique et la vision des couleurs. Nous décrivons le principe de l’expérience, ainsi que les différentes fontaines que nous avons développées pour des actions de diffusion de la science.
Table des matières
1. Introduction
Au milieu du XIXe siècle, Jean-Daniel Colladon eut l’idée lumineuse de concentrer les rayons issus d’une lampe sur l’embouchure du jet d’eau créé par un réservoir percé sur un de ses flancs. Le résultat qu’il décrit dans les comptes-rendus de l'académie des sciences[1] est spectaculaire: « la lumière circule dans ce jet transparent, comme dans un canal, et en suit toutes les inflexions ! ».
On trouve un descriptif de son dispositif expérimental dans la revue La Nature [2], présenté figure 1.
Une expérience similaire fut réalisée dès 1840 par Jacques Babinet [3] : ce dernier expliqua même comment le principe du guidage de la lumière pouvait s’étendre à des cylindres de verre courbés, anticipant ainsi les futures fibres optiques…
Les fontaines lumineuses, initialement conçues dans un but pédagogique, ont rapidement connu un succès remarquable (dans des versions plus imposantes) lors de diverses manifestations en Europe et aux USA, dont l’exposition universelle de Paris en 1889.
Depuis, les fontaines lumineuses ont connu un regain d’intérêt en devenant des fontaines laser, figure 2.
En exploitant les propriétés spécifiques de cette lumière (monochromaticité et faible divergence du faisceau), les fontaines laser permettent d’expérimenter de façon simple et visuelle les bases de l’optique géométrique et la vision des couleurs. Le guide d'onde d'eau peut aussi facilement se courber.
 Figure 2. Schéma du dispositif |
Plusieurs fontaines laser ont été développées en France pour des actions de communication et vulgarisation scientifique (au laboratoire PIIM – Marseille, au laboratoire ENSSAT - Lannion, au LAAS - Toulouse, dans le Scientibus – Limoges…). Au laboratoire de physique des lasers, trois fontaines ont été fabriquées. Elles sont régulièrement présentées lors de manifestations scientifiques et depuis 2017 dans le cadre d’un MOOC [4].
2. Principe
Il s'agit tout d'abord d'expliquer le guidage de la lumière par réflexion totale dans les jets d'eau, ces derniers formant une version macroscopique des fibres optiques.
Ici le milieu guidant est aqueux et non vitreux, et la « gaine » est faite d’air. L'indice du cœur neau = 1,33 est plus élevé que celui de la gaine, nair = 1, ce qui permet de confiner le faisceau lumineux à l'intérieur de l'eau.
À l'aide de la loi de Snell-Decartes, on a :
La propagation de la lumière dans le guide d'eau est conditionné par le principe de réflexion totale interne, figure 3.
Lorsque l’angle d'incidence du rayon incident θ1 est plus grand que l'angle critique θc, il y a réflexion totale et pas de perte de lumière par réfraction.
La limite est atteinte lorsque θ2 = 90°, alors θc =
Pour un guide d'onde d'eau dans l'air, il y a réflexion totale pour des rayons dont l'angle d'incidence est supérieur à θc ≃ 48,6°.
Dans le cas du guidage dans un jet d’eau, la différence entre l’indice du cœur et l’indice de la gaine est bien plus important que dans le cas d'une fibre optique classique (valant dans quelques millièmes) et l’injection s’en trouve grandement facilitée.
Un point délicat de la fontaine laser est de créer un jet d'eau suffisamment peu turbulent (nombre de Reynolds inférieur à 3000 typiquement). Le calcul de la vitesse de l'écoulement repose sur l’application de l’équation de Bernoulli et le calcul de la trajectoire du jet d'eau reste simple.
Rappel sur le théorème de Bernoulli
On pourra consulter la vidéo de la collection « La physique animée » : « Écoulement stationnaire d'un fluide parfait incompressible, Théorème de Bernoulli ».
L’utilisation d’un laser au lieu d’une simple lampe permet de profiter de son faisceau extrêmement directif pour visualiser très distinctement la première réflexion totale dans le jet d’eau, les suivantes étant souvent brouillées par la turbulence du jet.
Après une ou deux réflexions totales, le jet d’eau apparaît uniformément coloré. Il est ainsi possible d'observer la synthèse additive des couleurs en injectant dans un même jet d’eau des faisceaux laser rouge, vert et bleu (les trois couleurs primaires), figure 4. En modifiant l’intensité de ces lasers, on peut alors faire varier la couleur du jet d’eau et obtenir toutes les couleurs (incluant le blanc, figure 5). Un effet esthétique intéressant peut-être obtenu par une variation aléatoire de l’intensité des trois lasers (via une commande électronique) créant un changement continuel des couleurs des jets.
Sur les photos suivantes, on peut observer que la lumière est diffusée par les irrégularités de l'interface eau/air.
L'atténuation du faisceau existe aussi dans les fibres optiques. Par exemple, lors de transmissions de signaux de télécommunications sur de longues distances, des amplificateurs optiques sont disposés régulièrement pour pallier l'atténuation du signal.
 Source - © S. Forget (LPL) Figure 4. Fontaine à 3 couleurs |  Source - © S. Forget (LPL) Figure 5. Synthèse additive |
3. Aspects techniques et réalisations pratiques
3.1 Une fontaine laser à 10 €
Une première expérience peu onéreuse et accessible à tous permet d'observer très simplement la réflexion totale. L'expérience est réalisée avec un pointeur laser vert ou rouge (de puissance inférieure à 1mW, classe 2) et un récipient en plastique transparent avec des faces parallèles, l'une d'elles, percée d'un trou [5].
Le récipient est rempli d'eau, puis le faisceau lumineux est dirigé vers le trou afin d'observer la lumière guidée dans le jet, figure 6.
 Source - © P. E. Pottie (LPL) Figure 6. Fontaine à 10 € |
3.2 Une fontaine à trois lasers pour mélanger les couleurs
Nous avons développé une fontaine laser plus élaborée au laboratoire de physique des lasers [6].
Ce montage permet d'observer, en plus de la réflexion totale, la synthèse additive des couleurs à partir des trois couleurs primaires, figure 7.
 Source - © B. Rajau (CNRS Photothèque) |
Des lasers de quelques dizaines de milliwatts (classe 3B) et un bon contraste sont nécessaires pour obtenir un effet saisissant.
Trois faisceaux laser, rouge, vert et bleu (respectivement une diode de 50 mW à 650 nm, deux Nd:YAG doublés en fréquence de 50 mW à 532 nm et de 20 mW à 473 nm), sont injectés et mélangés dans plusieurs jets d’eau à l’aide d’éléments optiques (miroirs, lames séparatrices, cubes et/ou prismes).
L'intensité des lasers peut être modifiée par un simple jeu de densités ou bien en ajustant le rapport cyclique du contrôle TTL de chaque laser à l’aide d’un micro-contrôleur. Pour assurer un fonctionnement en continu, l’eau des jets est récupérée dans un bassin puis recyclée jusqu’au réservoir par une petite pompe à eau.
Une portée des jets de 10 à 30 cm est obtenue avec une hauteur de colonne d'eau de 10 à 20 cm et des trous d’environ 6 mm de diamètre. Le débit ajustable de la pompe permet de faire varier la portée et la turbulence des jets. La fontaine est placée dans une grande boîte noire (dimensions 1,2 x 0,6 x 0,7 m3) afin d’assurer une observation de jets d’eau lumineux sur fond noir et le confinement des rayonnements laser nécessaire pour garantir la sécurité.
3.3 Une ouverture vers l'art : la Fontaine Laser Géante
À l’occasion de la célébration des 50 ans du laser en 2010, le laboratoire de physique des lasers a été porteur d’un projet « art et science » pour la réalisation d’une Fontaine Laser Géante [7]. Un jeune artiste, Steve Veloso, a relevé ce défi et réalisé une installation jouant sur l'abstraction formelle et sur la visibilité du mécanisme interne.
L’œuvre recherche un impact « physique » sur le spectateur pour l'interroger sur son rapport à l'art et à la science. Cette fontaine de 16 m2 au sol et 2,6 m de hauteur est composée de 4 larges monolithes noirs de métal et de plexiglas, tantôt miroitants, tantôt transparents, et d'un bassin intérieur, figure 8.
 Source - © LPL |
Des lasers encore plus puissants (200 mw, classe 4) et des bancs optiques plus élaborés sont installés dans le cœur des monolithes.
4 Conclusion et présentation de « Atouts sciences »
4.1 Références
Les fontaines laser sont d’excellents outils pour faire de la physique ! les fontaines laser du laboratoire de physique des lasers sont régulièrement présentées lors de manifestations de communication et de vulgarisation scientifique à destination des collèges et lycées (atelier Science, bars des Sciences, visites de scolaires…) et à l’occasion d’événements nationaux et internationaux qui rassemblent plusieurs milliers de visiteurs (Nuit des Chercheurs, Fête de la Science/Savante Banlieue…). Depuis 2017 ces expériences sont également présentées à un large public dans le cadre du MOOC « La Physique, vive[z] l’expérience ! » accessible en ligne sur la plateforme France Université Numérique [8]. La première session de ce MOOC de l’université Paris 13 a réuni plus de 4 100 apprenants des 4 coins du monde et de tous âges (de 10 à 81 ans).
4.2 L'association « Atouts sciences »
L’association « Atouts sciences » a pour vocation de fédérer les actions de vulgarisation et de diffusion de la culture scientifique à l’Institut Galilée (Université Paris 13). L’association s’investit dans de multiples actions de vulgarisation et diffusion de la culture scientifique en partenariat avec d'autres associations et établissements en Île-de-France. Nos actions reposent sur des présentations d’expériences scientifiques, des conférences/débats, l’animation de stands, ou encore des visites de laboratoires, à destination des élèves depuis la maternelle jusqu’aux classes préparatoires. Ces expériences/conférences/ateliers sont élaborés par des chercheurs, enseignants-chercheurs et doctorants.
Nos actions sont structurées autour de trois axes principaux :
- À la découverte d'un labo :
Nous proposons la découverte d’un laboratoire de recherche, la visite de ses expériences et la rencontre avec son personnel. La classe est accueillie par un chercheur ou un enseignant-chercheur pendant environ 2 heures. La visite débute par une présentation de l’université et du laboratoire. Après la conférence sur un thème choisi, la classe visite une expérience du laboratoire. Une visite des ateliers de mécanique, d’optique, d’électronique ou des locaux de l’université (amphi, salles de TD/TP…) est également proposée.
- Un chercheur dans votre école :
Nous intervenons dans les écoles, collèges ou lycées pour divers animations scientifiques en Île-de-France. Les élèves rencontrent un chercheur ou un enseignant-chercheur qui donne une conférence ou anime un atelier (sur un thème choisi avec l’enseignant). Des expériences ludiques et spectaculaires sont réalisées avec les élèves.
- La science par l'expérience :
Nous proposons des rencontres autour d’expériences originales et pédagogiques. Au-delà de l’ouverture aux sciences, ces présentations sont l’occasion de rencontres à l’Institut Galilée/Université Paris 13 entre élèves (des classes primaires à la terminale) et chercheurs, enseignants-chercheurs, jeunes doctorants. Ces expériences sont également proposées tout au long de l'année pour participer aux différents événements organisés autour des sciences en Île-de-France.
« Atouts sciences »
Site web : www.atouts-sciences.org
Mail : atouts.sciences@gmail.com
Page Facebook : https://www.facebook.com/AtoutsSciences
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5. Pistes d'exploitation
[1] Expérience présentée dans les comptes-rendus de l'académie des sciences numéro 15, juillet - décembre 1842, p.800, « Sur les réflexions d'un rayon de lumière à l'intérieur d'une veine liquide parabolique ».
[2] La Nature : Revue des sciences et de leurs applications aux arts et à l'industrie. Journal hebdomadaire illustré, 1884. Couverture de la revue La Nature.
Lire l'article « La fontaine de Colladon » : p.1 et p.2, 1884.
[3] « Notes sur la transmission de la lumière par des canaux sinueux », Comptes-rendus de l'académie des sciences numéro 15, juillet - décembre 1842, p.802
[4] MOOC « La Physique, vive[z] l'expérience ! » : https://www.fun-mooc.fr/courses/course-v1:paris13+78001+session01/about
[5] La fontaine laser à 10 € : https://www.youtube.com/watch?v=FOb980c4Ros
[6] Les fontaines au laboratoire de physique des lasers : https://www.atouts-sciences.org/
[7] La Fontaine Laser Géante : https://www.youtube.com/watch?v=sdC4oIlE-GA
[8] France Université Numérique : https://www.fun-mooc.fr
Pour citer cet article :
La physique des fontaines laser, avril 2018. CultureSciences Physique - ISSN 2554-876X, https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/fontaine-laser.xml
