Printemps des Sciences 2016 – Bruxelles

Réalisation d’un projecteur laser ULB – École Polytechnique – OPERA

Travail collectif de 13 étudiants

Dans le cadre de leurs études en deuxième année de bachelier à l’Ecole Polytechnique, les étudiants doivent réaliser un projet d’année. Plusieurs choix étaient proposés, et parmi eux le projet de la section physique du département OPERA, consistant à concevoir un projecteur laser. Le but poursuivi est de tracer des schémas en 2D sur un écran au moyen d’un faisceau laser.

Le faisceau laser est réfléchi sur deux miroirs placés perpendiculairement. Ces deux miroirs permettent chacun de rediriger le faisceau selon deux axes perpendiculaires pour dessiner une figure en 2D sur un écran. Ceux-ci sont chacun mis en mouvement par deux moteurs galvanométriques. Les galvanomètres sont composés de deux bobines et d’un aimant permanent auquel est fixé le rotor qui entraîne le miroir. Si du courant passe dans les bobines, elles agissent comme des électroaimants et génèrent un champ magnétique. L’aimant permanent va alors pivoter pour s’aligner avec le champ généré par les électroaimants, entraînant le miroir avec lui (le miroir est l’aimant permanent sont relies par un rotor). Deux différentes approches ont été utilisées pour commander le courant envoyé aux moteurs. Premièrement, à l’aide de la sortie d’une carte son retransmettant les deux signaux électriques habituellement destinés aux deux haut-parleurs d’un ordinateur aux deux galvanomètres. Secondement, par le biais d’une carte Arduino faisant office de micro-ordinateur. Les deux dispositifs envoient aux moteurs galvanométriques des signaux programmés sur ordinateur. Ces signaux étant trop faibles que pour observer un mouvement suffisant, les étudiants ont du imaginer et réaliser des circuits amplifiant ces signaux.

1.http://elm-chan.org/works/vlp/report_e.html

Les compétences nécessaires à la réalisation de ce projet vont de l’électronique à la mécanique, en passant par la programmation et le travail en équipe. Les recherches se sont principalement axées sur les différents types de moteurs, les possibilités de circuit pour amplifier les signaux et les différentes sortes de miroirs.

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MoteurFonctionnement

© Toute reproduction, même partielle, doit indiquer clairement le nom de tous les auteurs, le nom du Département, ainsi que la mention « Printemps des Sciences 2016 – Exposition des Sciences – Bruxelles »

Réalisation d’un projecteur de Show Laser Service OPERA - Photonique

Tanguy BOSSER, Casimir FAYT, Jihad GUENAOU, Boris JOUKOVSKY, Luana MARROCCO, Tom VANDENBUSSCHE

Contrôle Utilisation d’un microcontrôleur

En appliquant un courant dans lesbobines, celles-ci génèrent un champmagnétique. Lorsque l’aimant se trouveentre les bobines, et donc dans le champmagnétique, des forces seront appliquéessur cet aimant, ce qui aura pour effet de lemettre en rotation. La rotation de l’aimantentraine la rotation d’un rotor, auquel estattaché un miroir. De cette façon, enfaisant varier le courant, il est possible defaire varier la position du miroir.

Convertisseur numérique vers analogique Conversion d’un signal en tension vers un signal en courant

Processeur

Démarche suivie: Paramétrisationmouvement𝜃1 𝑡 = 𝑠𝑖𝑛𝑡𝜃2 𝑡 = 𝑐𝑜𝑠𝑡

Calcul du moment correspondant

𝑀1max = 𝑤2 ∗ 𝜃1𝑚𝑎𝑥x J𝑀2max = 𝑤2 ∗ 𝜃2𝑚𝑎𝑥x J

Modélisation

Moment de force 0.075 NmCourant 2ASpires pour la bobines 100

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Introduction

Au cours de leur seconde année d'étude, certains étudiantsdoivent réaliser un projet dont l'objectif principal est deréaliser un mini-projecteur de show laser. Ce systèmepermet la projection de figures grâce à la réflexion d’unfaisceau laser sur deux miroirs. Ces derniers sontcontinuellement en mouvement à l’aide de deux moteursdont la commande se fait via un microcontrôleur.

© Toute reproduction, même partielle, doit indiquer clairement le nom de tous les auteurs, le nom du Département, ainsi que la mention « Printemps des Sciences 2016 – Exposition des Sciences – Bruxelles »

Réalisation d’un projecteur de Show Laser Service OPERA - Photonique

Tanguy BOSSER, Casimir FAYT, Jihad GUENAOU, Boris JOUKOVSKY, Luana MARROCCO, Tom VANDENBUSSCHE

MiroirLoi de Descartes

MoteurPrincipes de base de magnétostatique

𝜃1 = 𝜃2

A partir d’un photon primaire,on excite des particules dansle milieu laser qui émettent aleur tour des photonsidentiques au premier.Lorsque l’ensemble desphotons a assez d’énergie, ilest émis sous forme defaisceau lumineux à traversle miroir semi-transparent.

LaserFonctionnement

Un des principes fondamentaux de la magnétostatique estque lorsqu’un courant circule dans un fil, il génère un champmagnétique tout autours selon la règle de la main droite. Cetterègle peut également être appliquée à une spire et donc à unsolénoïde.

tan 2𝜃 =𝑥𝑑↔ 𝜃 =

12arctan

𝑥𝑑

Lorsqu’un fil avec un courant est plongé dans unchamp magnétique extérieur (autre que celui qu’ilproduit), ce fil subit une force Fm avec Fm = I.l.B

Afin de réaliser un cercle 𝑥 = cos 𝜃𝑦 = sin 𝜃