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X ENS Physique B PC 2012Sujet, corrigé et rapport du jury

Pas encore noté
  • Théorème de Gauss et champ électrique
  • Modèle de l'électron élastiquement lié (oscillateur)
  • Polarisation d'un milieu diélectrique et vecteur de Poynting
  • Développements limités appliqués à la physique
  • Loi de Descartes et indice optique
  • Analyse dimensionnelle et ordres de grandeur

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Présentation du sujet

Difficulté moyenne
Optique non linéaire des matériaux diélectriques : susceptibilité électronique, génération de seconde harmonique et effet Kerr optique
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Le sujet propose l'étude de propriétés d'optique non linéaire des matériaux diélectriques, notamment la génération de seconde harmonique et l'effet Kerr optique. Il comporte trois parties : un modèle de susceptibilité électronique en réponse linéaire, l'effet non linéaire d'ordre deux avec le doublement de fréquence, puis l'effet non linéaire d'ordre trois avec l'effet Kerr et l'autofocalisation d'un faisceau lumineux.

  1. 1Partie I : modèle de susceptibilité électronique en réponse linéaireÉtude du théorème de Gauss, de la polarisation d'un milieu et de la réponse linéaire d'un modèle d'électron lié.
  2. 2Partie II : effet non linéaire d'ordre deux, doublement de fréquenceÉtude des ordres de grandeur, des composantes de la polarisation non linéaire, puis de l'intensité de l'onde à fréquence double.
  3. 3Partie III : effet non linéaire d'ordre trois, effet Kerr optiqueÉtude de l'effet Kerr optique puis de l'autofocalisation d'un faisceau lumineux via la loi de Descartes.

Difficulté moyenne. Le rapport qualifie le sujet de difficulté standard pour ce type d'épreuve, moyennement bien traité, avec une moyenne de 8,46/20 sur 1328 copies et un écart-type de 3,51.

L'épreuve en chiffres

Moyenne 8,46 / 20 · écart-type 3,51 · 1 328 copies · où vous situez-vous ?
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Moyenne
8,46/ 20
Écart-type
3,51
Copies
1 328
moyenne 8,4605101520
Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.

Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

Ce qu'a observé le jury

5 erreurs relevées
Théorème de Gauss mal utilisé sur une question simple · Graphe de 1/(1-x²) souvent faux · Confusion entre le terme a0 et la position d'équilibre
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L'ensemble du sujet a été abordé et les premières questions de chaque partie ont été assez bien traitées, mais l'interdépendance des questions au sein de chaque partie a pénalisé les candidats restant distants du sujet ou pratiquant le grappillage de points. Les candidats les mieux notés ont traité les trois parties de façon homogène et sans lacune grave.

Les erreurs les plus sanctionnées

  1. 1
    Théorème de Gauss mal utilisé sur une question simpleI.1.a, I.1.b

    Peu de candidats ont su l'appliquer avec rigueur, et les approximations non justifiées sur la distribution des charges sont fréquentes.

  2. 2
    Graphe de 1/(1-x²) souvent fauxI.3.c

    Un très grand nombre de graphes sont faux alors qu'il s'agit d'une fonction simple à esquisser après deux ans de classe préparatoire, et les commentaires physiques manquent souvent.

    « un très grand nombre de graphes sont faux. »
  3. 3
    Confusion entre le terme a0 et la position d'équilibreII.B.8.c

    Très peu de réponses pertinentes sont apportées à cette question pourtant facile, en raison de cette confusion.

  4. 4
    Erreurs sur la définition du vecteur de PoyntingII.C.9

    Le jury relève un mélange entre la définition complexe et la définition réelle du vecteur de Poynting, ainsi que des oublis de la permittivité.

    « mélange entre définition complexe et définition réelle »
  5. 5
    Ordres de grandeur farfelus

    Les ordres de grandeur proposés pour la taille typique d'un atome vont du femtomètre au dixième de millimètre.

    « s’échelo nnent cette année du »

Ce qui a été bien réussi

  • La question (II.B.7) sur la force subie par le nuage électronique a été bien réussie dans l'ensemble.
  • La question (II.B.8) a. et b. a été globalement assez bien traitée.
  • La compatibilité du système d'équations avec la conservation de l'énergie a souvent été montrée avec succès en (II.C.10).

Conseils du jury

  • Lire soigneusement l'énoncé et tenir compte de toutes les hypothèses fournies plutôt que de plaquer un exercice déjà traité.
  • Systématiser la vérification de l'homogénéité des résultats, sans pour autant la substituer à une démonstration complète.
  • Connaître les ordres de grandeur incontournables, comme la taille typique d'un atome.
  • Accompagner chaque graphe tracé d'un commentaire physique sur ses limites, ses asymptotes ou ses divergences.
  • Encadrer ou souligner le résultat final de chaque question pour en faciliter la lecture par le correcteur.

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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ÉCOLE POLYTECHNIQUE - ÉCOLES NORMALES SUPÉRIEURES

ÉCOLE SUPÉRIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES

CONCOURS D'ADMISSION 2012
filière PC

COMPOSITION DE PHYSIQUE - B - (XELC)

(Durée : 4 heures)
L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.
Pour les applications numériques, on se contentera de donner un unique chiffre significatif.

Étude de quelques phénomènes non linéaires dans les milieux diélectriques

Nous nous proposons d'étudier quelques comportements de milieux diélectriques soumis à un champ électrique intense. Dans ce contexte, un champ électrique est considéré comme intense lorsque son module atteint une certaine proportion du champ impliqué dans la cohésion du milieu. En première partie, nous établirons un modèle de polarisabilité électronique pour un milieu diélectrique homogène et isotrope ( DHI ), dans le cadre de la réponse linéaire. Une deuxième partie sera dédiée à l'étude du phénomène de doublement de fréquence (relativement à la fréquence de l'onde électromagnétique excitatrice). Dans une dernière partie, nous étudierons l'effet Kerr optique. Ces trois parties sont indépendantes mais il est conseillé, au moins, de lire attentivement la première partie.
Nous considérerons un milieu diélectrique comme un isolant idéal et donc ne comprenant aucune charge susceptible de se déplacer bien au delà d'une distance atomique. Lorsque les barycentres respectifs des charges positives et négatives d'une entité polarisable élémentaire (atome, molécules ou groupe d'atomes) du matériau diélectrique ne coïncident pas, il apparaît un dipole électrique p⃗. Nous ne considérerons que la polarisation induite par un champ électrique.

Données numériques, formulaire et notations.

Charge électrique élémentaire :, e, = 1, 60 × 10^(− 19), C; Masse de l'électron :, m_e, = 9, 11 × 10^(− 31), kg; Vitesse de la lumière dans le vide :, c, = 3, 00 × 10^8, m ⋅ s^(− 1); Perméabilité magnétique du vide :, μ_0, = 4π × 10^(− 7), kg ⋅ m ⋅ C^(− 2); Permittivité diélectrique du vide :, ε_0, = 8, 85 × 10^(− 12), F ⋅ m^(− 1); (e^2)/(4πε_0), = 2, 31 × 10^(− 28), N ⋅ m^2; 2(cosx)^2 = 1 + cos(2x); 2cosxsin(2x) = sinx + sin(3x); 4(cosx)^3 = 3cosx + cos(3x); ∫_0^x(du)/(1 − u^2) = Argth(x)
Nous désignons par P⃗ le vecteur polarisation. Si l'élément de volume δτ contient δN_p entités polarisables, de moment dipolaire individuel p⃗_i, alors P⃗ = (δN_p)/(δτ)p⃗_i ≡ Np⃗_i ( N désignera toujours un nombre d'objets par unité de volume).

Partie I : Un modèle de susceptibilité électronique en réponse linéaire.

Nous nous intéressons ici à la polarisation qui résulte de la déformation du nuage électronique d'un atome par une onde électromagnétique. Nous considérons un milieu DHI contenant N électrons par unité de volume. Ce milieu est soumis à une onde électromagnétique, plane progressive harmonique, de pulsation ω et de nombre d'onde k, caractérisée par les champs :
{E⃗ = E_0 cos(ωt − kx)u⃗_y; B⃗ = B_0 cos(ωt − kx)u⃗_z
Les vecteurs unitaires u⃗_x, u⃗_y et u⃗_z forment un trièdre direct. Sur le domaine de fréquence considéré, le milieu est supposé non absorbant.
Nous notons r⃗ le vecteur déplacement du barycentre du nuage électronique, par rapport à celui du noyau (supposé fixe). En supposant un unique électron concerné, ce vecteur vérifie l'équation de la dynamique :
m_e(d^2 r⃗)/(dt^2) = F⃗ + F⃗_(EM)
F⃗ et F⃗_(EM) représentent les forces que le nuage électronique subit de la part du noyau et de celle de l'onde électromagnétique. Tout effet dissipatif est négligé.
  1. Caractérisation de la force d'interaction noyau-nuage F⃗.
Modélisons le nuage électronique, associé à l'électron ( m_e, − e ) dans son mouvement orbital, par une boule de rayon a et de densité volumique de charge uniforme. Pour ‖r⃗‖≪a, nous considérons que le nuage ne se déforme pas lors de son déplacement relatif.
a) Exprimer alors la force F⃗. L'écrire sous la forme F⃗ = − m_e ω_0^2 r⃗.
b) Exprimer ω_0^2 en fonction de e, ε_0, a et m_e. Proposer un ordre de grandeur de a puis de ω_0.
c) Exprimer le potentiel W_2(r) duquel dérive F⃗.
d) Interpréter ω_0 dans le cadre de ce modèle.
2. Caractérisation de la force d'interaction onde-nuage F⃗_(EM).
a) Rappeler les hypothèses qui président au calcul de cette force d'interaction, dans le cadre classique, et que nous adopterons.
b) Exprimer la force électromagnétique subie par le nuage.
3. Susceptibilité linéaire.
a) Exprimer le déplacement r⃗, solution de l'équation (2) pour le régime sinusoïdal forcé.
b) Exprimer le vecteur polarisation P⃗ correspondant.
c) La susceptibilité χ_L (linéaire) est, ici, définie par la relation algébrique :
P⃗ = ε_0 χ_L E⃗
Exprimer χ_L en fonction des grandeurs ω_p^2 ≡ (Ne^2)/(m_e ε_0) et χ_0 ≡ (ω_p^2)/(ω_0^2). Esquisser et analyser son évolution en fonction de ω.
d) Estimer l'ordre de grandeur de χ_0 (on pourra, d'abord, l'exprimer en fonction de N et a).
Pour les matériaux entrant dans le cadre de cette modélisation, la permittivité relative statique est de l'ordre de quelques unités. Ceci corrobore-t-il le résultat obtenu?

Définition du cadre d'étude pour les deuxième et troisième parties.

Dans les cristaux, il peut apparaître d'autres entités polarisables que celle formée simplement par un nuage électronique et son noyau. Pour ces entités, les distance, masse et charge caractéristiques peuvent s'écarter sensiblement de a, m_e et e. Nous les notons L, m et q. Nous supposons que ce sont ces entités qui sont à la base des phénomènes nous intéressant. Nous notons N leur nombre par unité de volume et redéfinissons ω_p^2 selon l'égalité ω_p^2 ≡ (Nq^2)/(mε_0).
Le déplacement de la particule effective de charge q et de masse m, d'une entité, est noté r⃗. Nous limitons notre étude au cas tel que r⃗ = ru⃗_y et E⃗ = E(x, t)u⃗_y, où E(x, t) = E_0 cos(ωt − kx). Ce champ est considéré comme uniforme à l'échelle de |r| et à celle de l'élément de volume δτ.
Enfin, nous notons W(r) le potentiel d'interaction entre les deux éléments interactifs d'une entité polarisable.

Partie II : Effet non linéaire d'ordre deux - Doublement de fréquence.

L'optique classique repose sur la linéarité de la réponse du milieu au champ électrique. Lorsque ‖E⃗‖ atteint une certaine proportion du champ électrique intra-entité polarisable, propre au milieu, celui-ci ne répond plus linéairement. Le vecteur polarisation n'est alors plus une fonction linéaire du champ électrique. Nous aborderons cet effet en apportant des corrections au modèle de polarisation linéaire décrit précédemment et construit sur le potentiel d'interaction, harmonique, W_2(r) ≡ 1/2mω_0^2 r^2.

II.A Ordres de grandeur.

  1. Proposer un ordre de grandeur du champ électrique intra-atomique (noté E^⋆ ).
  2. Il apparaît que les effets non linéaires deviennent observables pour des champs électriques avoisinant 10^(− 3)E^⋆. Un laser (pulsé), de puissance 10 kW , focalisé sur une surface de 100μ m^2 permettrait-il d'oberver de tels effets?

II.B Composantes de la polarisation.

Écrivons le développement W_3(r) du potentiel W(r), limité à l'ordre trois, sous la forme :
W_3(r) = W_2(r)(1 + αr/L) où W_2(r) = 1/2mω_0^2 r^2 (soit W(r) = W_3(r) + o(r^3)).
Le paramètre α est positif et inférieur à l'unité.
6. Un tel potentiel permettrait-il de modéliser l'interaction noyau-nuage pour le modèle adopté à la question (1), mais hors du domaine linéaire?
7. Écrire le principe fondamental de la dynamique (PFD) appliqué à la particule effective (m, q), soumise à la force d'interaction et à l'action de l'onde électromagnétique (on la supposera placée en x = 0 ).
8. Nous recherchons une solution r(t) de l'équation précédente sous la forme d'un développement en puissances de α, limité au premier ordre :
r(t) = a_1 cos(ωt) + α{a_0 + a_2 cos(2ωt)}
a) Écrire le PFD développé jusqu'au premier ordre par rapport à α (soit, α^1 ).
b) En considérant successivement les termes d'ordre α^0 et α^1, exprimer a_1 puis a_0 et a_2.
c) Au vu de la forme du potentiel, justifier le signe de a_0.
d) Exprimer la polarisation et l'écrire sous la forme :
P(t) = ε_0 χ_L E_0 cos(ωt) − α(3(ε_0 χ_L E_0)^2)/(4P^⋆){1 + Hcos(2ωt)}
Expliciter χ_L (fonction de ω ), qui définit la susceptibilité linéaire du milieu, le coefficient P^⋆ en fonction de N, L et q, et enfin H en fonction de ω et ω_0.
e) Esquisser l'allure de l'évolution de l'amplitude ( P_(2ω) ) de la composante relative à la pulsation 2ω, de la polarisation P, en fonction de ω. Commenter ce tracé.
f) Miller (1963) écrivit P_(2ω) sous la forme :
P_(2ω) = {Δχ_L^2(ω)χ_L(2ω)}(ε_0 E_0)^2
et il établit que le coefficient Δ variait assez peu d'un matériau à l'autre (utilisé dans ce domaine). Préciser l'intérêt pratique de cette propriété. Sans calcul, indiquer comment accéder à forme de la dépendance de Δ avec les données du problème. Proposer une relation plausible.
g) Le milieu est traversé par le faisceau d'un laser (Nd-YAG) de longueur d'onde λ = 1064 nm (proche infrarouge). Qu'attendons-nous à observer à sa sortie?

II.C Intensité de l'onde de fréquence double.

Nous nous proposons de déterminer l'intensité de l'onde, de pulsation 2ω, à la sortie d'un cristal d'épaisseur b (selon la direction de propagation u⃗_x ). L'apparition de cette onde n'est
sensible que si les vitesses de phase des ondes de pulsations ω et 2ω sont identiques (condition dite d'accord de phase). En pratique, cette condition peut être satisfaite en utilisant un cristal anisotrope. Nous supposerons ici simplement χ_L(ω) = χ_L(2ω) (ce qui n'est pas en accord avec le résultat de la question (3)).
Considérant maintenant l'ensemble des points du milieu, nous devons restituer la dépendance spatiale, omise à l'échelle de δτ. La polarisation s'écrira alors P(x, t) = P(ωt − kx).
Pour un milieu polarisable et dans le contexte de notre étude, l'équation de propagation du champ électrique s'écrit :
(∂^2 E)/(∂x^2) − 1/(c^2)(∂^2 E)/(∂t^2) = μ_0(∂^2 P)/(∂t^2)
Une solution de l'équation (8), restreinte aux composantes harmoniques ω et 2ω, est recherchée sous la forme :
E(x, t) = E_1(x)cos(ωt − kx) + E_2(x)sin{2(ωt − kx)}
avec une polarisation s'écrivant :
P(x, t) = ε_0 χ_L E(x, t) + 2ε_0 DE^2(x, t)
Sous l'hypothèse |(d^2 E_i)/(dx^2)|≪k^2|E_i|, les amplitudes E_1 et E_2 vérifient le système d'équations différentielles :
{(dE_1)/(dx) = − KE_1 E_2; (dE_2)/(dx) = + KE_1^2
avec k = ω/c√(ε_r) et où K = (ωD)/(c√(ε_r)) et ε_r = 1 + χ_L.
9. Exprimer les composantes R_1(x) et R_2(x) des vecteurs de Poynting, moyennées sur la période du fondamental, pour chacune des deux ondes de pulsations ω et 2ω.
10. Établir que le système d'équations (11) est compatible avec la conservation de l'énergie électromagnétique.
Interpréter ce résultat dans le contexte de notre étude.
11. Déterminer l'équation différentielle dont la fonction E_2 est solution.
12. Exprimer E_2(b) en fonction de E_1(0) ≡ E_0.
13. Exprimer le rapport R_2(b)/R_1(0) et représenter son évolution en fonction de KbE_0. Analyser ce résultat.
14. Calculer l'ordre de grandeur du rapport R_2(b)/R_1(0) pour un cristal d'épaisseur b = 0, 5 cm, éclairé par un laser (pulsé) de puissance 1 MW , de longueur d'onde de 1064 nm dans le vide, et de section de faisceau de 2 mm^2.
Données : ε_r ≃ 2, 3 et D ≃ 5, 0 × 10^(− 13) m ⋅ V^(− 1).
15. En construisant une longueur caractéristique de variation de la fonction E_2, vérifier que l'hypothèse associée au système d'équations (11) est satisfaite (pour les données précédentes).

Partie III : Effet non linéaire d'ordre trois - Effet Kerr optique.

Nous rappelons que le cadre de cette étude à été défini en préambule des parties II et III.

III.A Effet Kerr.

Les milieux susceptibles de présenter des effets non-linéaires d'ordre trois sont constitués d'entités polarisables centrosymétriques. Leur potentiel d'interaction W(r) est donc pair. Écrivons le développement W_4(r) du potentiel W(r), limité à l'ordre quatre, sous la forme :
W_4(r) = W_2(r){1 − α(r/L)^2} où W_2(r) = 1/2mω_0^2 r^2 (soit W(r) = W_4(r) + o(r^4))
Le paramètre α est positif et inférieur à l'unité.
16. Écrire le principe fondamental de la dynamique ( PFD ) appliqué à la particule effective (m, q), soumise à la force d'interaction et à l'action de l'onde électromagnétique (la particule est supposé placée en x = 0 ).
17. Recherchons des solutions r(t) de l'équation précédente sous la forme d'un développement en puissances du paramètre α, limité au premier ordre :
r(t) = a_1 cos(ωt) + α{b_1 cos(ωt) + b_3 cos(3ωt)}
En s'inspirant de la démarche adoptée à la partie II, déterminer les expressions de a_1 puis de b_1 et b_3.
18. Limitons-nous dès à présent au terme de pulsation ω de la réponse du milieu.
Établir que la composante, de pulsation ω, de la polarisation s'exprime :
P_ω(x, t) = ε_0 χ_L(1 + αβ)E(x, t) où β = 3/2(ω_0^2)/(ω_0^2 − ω^2){(ε_0 χ_L E_0)/(NqL)}^2.
Cette relation définit la susceptibilité χ ≡ χ_L(1 + αβ) correspondante du milieu, ainsi que sa susceptibilité linéaire χ_L que l'on explicitera.
La dépendance χ = χ(E_0^2) caractérise l'effet Kerr.
19. L'indice optique n est défini par l'égalité n^2 = 1 + χ. En supposant, a priori, |αβ|≪1, exprimer l'écart relatif d'indice δ ≡ (n − n_L)/(n_L), où n_L représente l'indice du milieu en réponse linéaire.
20. Une onde plane, décrite par le champ électrique E⃗ = E_0 cos(ωt − kx)u⃗_y, traverse ce milieu. Justifier que δ est proportionnel à l'intensité de cette onde, moyennée sur sa période temporelle ( δ = ΓI ).
21. Pour l'arséniure de gallium, dans l'infra-rouge, Γ ≈ 2 × 10^(− 20) m^2 ⋅ W^(− 1). Vérifier que, même pour un laser (pulsé) de très forte puissance dont l'intensité lumineuse I peut atteindre 10^9 W ⋅ mm^(− 2), l'hypothèse adoptée à la question (19) reste satisfaite.

III.B Autofocalisation d'un faisceau lumineux.

Nous souhaitons rendre compte, par une approche très simplifiée, du phénomène d'autofocalisation d'un faisceau laser dans un milieu diélectrique. Un laser émet une onde monochromatique, de longueur d'onde dans le vide λ ≈ 0, 7μ m, qui traverse le diélectrique selon u⃗_x. L'amplitude du champ électrique décroît du centre du faisceau vers l'extérieur. Pour modéliser grossièrement cette dépendance du champ selon une direction orthogonale à la direction de propagation u⃗_x, nous adoptons un champ électrique de la forme : E⃗ = E(z)cos(ωt − kx)u⃗_y, d'amplitude E(z) s'écrivant :
{E(z) = E_0, pour, |z| ≤ z_0 (où z_0 ≈ 10μ m et E_0 ≈ 10^9 V ⋅ m^(− 1));; E(z) = 0, pour |z| > z_0 .
En accord avec la partie précédente, nous écrivons l'indice du milieu sous la forme :
n(z) = n_L(1 + γ(E(z)^2)/(2n_L^2)), où γ ≈ 10^(− 22) m^2 ⋅ V^(− 2) et n_L ≈ 1, 5
  1. En considérant que l'on peut faire l'analogie avec la diffraction par une fente, exprimer alors la divergence angulaire θ_d du faisceau, en fonction de λ, z_0 et accessoirement n_L (se reporter à la figure (1)). Estimer θ_d.
Fig. 1: Diffraction du faisceau.
  1. Déterminer l'angle limite θ_ℓ au dessous duquel la réflexion des rayons, formant le faisceau, est totale (se reporter à la figure (2)).
Fig. 2: Autofocalisation du faisceau - Rayon(s) réfléchi et/ou réfracté.
  1. Déterminer la valeur critique E_c du champ pour laquelle la divergence du faisceau est contrebalancée par l'effet Kerr. Donner un ordre de grandeur de E_c.
  2. Décrire les situations pour E_0 > E_c et E_0 < E_c.

Questions fréquentes

4 questions
Sur quoi porte le sujet de Physique B X-ENS PC 2012 ?
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Sur quoi porte le sujet de Physique B X-ENS PC 2012 ?

Le sujet porte sur l'optique non linéaire des matériaux diélectriques : susceptibilité électronique, génération de seconde harmonique et effet Kerr optique avec autofocalisation d'un faisceau lumineux.

Ce sujet de Physique B X-ENS PC 2012 est-il difficile ?

Le rapport le juge de difficulté standard mais moyennement bien traité, avec une moyenne de 8,46/20 sur 1328 copies.

Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet X-ENS Physique B PC 2012 ?

Le jury relève des ordres de grandeur farfelus, des unités extravagantes pour le champ électrique, et de nombreuses erreurs sur la définition du vecteur de Poynting.

Faut-il traiter les trois parties du sujet X-ENS Physique B PC 2012 pour bien réussir ?

Oui, les candidats les mieux notés ont traité les trois parties de façon homogène et rapide, sans lacune grave, plutôt que de grappiller des points ici et là.

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