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Auteur(s)
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Patrick BOUCHAREINE : Ancien élève de l’École normale supérieure - Professeur à l’École supérieure d’optique et à l’université Paris-Sud, Orsay
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C’est Isaac Newton qui, le premier, vers 1750, observa et décrivit un phénomène interférentiel. En appliquant une lentille convexe de grand rayon de courbure sur un plan optique, on voit par réflexion une série d’anneaux concentriques typiques, les anneaux de Newton. Nous décrirons ces anneaux à propos de leur application moderne pour la mesure interférentielle des grands rayons de courbure 7.2. Partisan d’une théorie corpusculaire de la lumière, Newton se donna beaucoup de mal pour interpréter le phénomène à partir de ses idées et son autorité étouffa pour longtemps les chances de voir éclore une conception ondulatoire des phénomènes lumineux. Cependant, on retrouve dans sa théorie des « accès » beaucoup des propriétés d’une onde périodique dans l’espace et Thomas Young, l’un des découvreurs de la nature ondulatoire de la lumière, dit avoir trouvé beaucoup de ses idées dans les textes de Newton.
Les interférences lumineuses permettent une observation commode de très petites variations de distances, de l’ordre de grandeur des longueurs d’onde mises en jeu, c’est-à-dire de l’ordre de 0,5 µm. Ce sont toujours des mesures différentielles qui donnent un écart de phase par rapport à une référence : déplacement par rapport à un point supposé fixe, déformation par rapport à une forme de référence (plan, sphère ou autre). Les techniques visuelles aussi bien que les techniques radiométriques permettent d’atteindre de faibles fractions de frange (entre 1/10 et 1/1 000) donnant ainsi accès à des sensibilités nanométriques (le nanomètre est la milliardième partie du mètre). Devenues d’usage courant depuis l’apparition des lasers et de leur extrême cohérence, les interférences lumineuses sont maintenant un outil très employé aussi bien à l’atelier d’optique que dans les contrôles industriels. Nous rappellerons dans cet article quelques propriétés de base des interférences lumineuses en revoyant quelques expériences fameuses, puis nous dresserons un bilan des principales applications sans oublier quelques grands projets actuellement en développement, et qui illustrent les possibilités incroyables de la lumière dans le contexte actuel de l’instrumentation scientifique.
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Premiers interféromètres à deux ondes
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1. Interférences à deux ondes : les fentes d’Young
C’est Thomas Young qui, en 1801, découvre et interprète convenablement les interférences lumineuses. Celles-ci sont tout d’abord obtenues au moyen de deux trous éclairés par une source ponctuelle, puis l’expérience gagne en luminosité en remplaçant les deux trous par deux fentes perpendiculaires au plan de la figure 1. De même, la source sera remplacée par une fente fine parallèle aux deux autres, éclairée en lumière intense. La source S est une fente étroite, ce que nous discuterons plus tard à propos de la cohérence spatiale. Elle éclaire les deux fentes F1 et F2 avec deux ondes de même amplitude et de même phase si S est sur la médiatrice de F1F2 . Chaque fente diffracte la lumière : le phénomène de diffraction peut être interprété en termes d’interférences entre l’infinité des sources élémentaires qui seraient à placer sur la fente F pour remplacer la source S. Nous ne l’étudierons pas ici. Il nous suffit de retenir que si la largeur de la fente F est a, la lumière de longueur d’onde λ est diffractée dans un angle approximativement égal à λ /a (en radians). Plus précisément, un calcul intégral simple montre qu’une pupille rectangulaire de largeur a éclairée par une onde plane monochromatique de longueur d’onde λ donne une distribution angulaire d’amplitude à l’infini qui est un sinus cardinal :
Ce phénomène s’interprète par la nature ondulatoire de la lumière. La lumière est une oscillation électromagnétique de fréquence ν très élevée (ν = 4 à 7,5 · 1014 Hz pour le domaine visible) qui se propage dans le vide à la vitesse exacte de 299 792 458 m/s. L’exactitude de ce nombre résulte de la définition du mètre promulguée par la Conférence générale des poids et mesures en octobre 1983 :
« Le mètre est la longueur du trajet parcouru par la lumière dans le vide en une durée de 1/299 792 458 de seconde. »
À cause de la diffraction, les deux ondes issues des fentes divergent...
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ANNEXES
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HAUT DE PAGE
Dans les Techniques de l’Ingénieur
BOUCHAREINE (P.) - Spectrométrie optique. - R 6 310, traité Mesures et Contrôle (1994).
HENRY (M.) - Optique ondulatoire. Interférences. Diffraction. Polarisation - . A 191, traité Sciences fondamentales (1982).
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Autres références
FRANÇON (M.) - Interférences, diffraction et polarisation. Handbuch der Physik, - tome XXIV, Springer (1956).
BRUHAT (G.) - Optique. - Masson (1965), réédité (1992).
FRANÇON (M.) - L’optique moderne et ses développements. - Hachette (1986).
CAGNET (M.) - FRANÇON (M.) - THRIERR (J.C.) - Atlas de phénomènes optiques. - Springer Verlag (1962).
FRANÇON (M.) - Thèmes actuels en optique. - Masson (1986).
PEREZ (J.-Ph.) - Optique géométrique, ondulatoire et polarisation. - Masson (1991).
HUARD (S.) - Polarisation de la lumière. - Masson (1993).
LÉNA (P.) - BLANCHARD (A.) - Lumières. - Interéditions (1990).
LÉNA (P.) - Astrophysique. - Interéditions (1987).
Techniques d’utilisation...
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