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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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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Interféromètres à polarisation
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5. Interférences à ondes multiples
Lorsque plus de deux ondes issues d’une même source se superposent en un même point de l’espace, elles y forment un phénomène d’interférences plus compliqué, dites interférences à ondes multiples. On peut encore évaluer l’amplitude de la résultante par des calculs trigonométriques ou par des constructions géométriques. Nous traitons à titre d’exemple les interférences données par trois fentes de type Young entre trois ondes de même amplitude et dont les phases sont en progression arithmétique. Nous donnerons ensuite les résultats pour des phénomènes plus complexes : les réseaux dits de diffraction à très grand nombre de traits et les franges données par les lames réfléchissantes ou interféromètre de Fabry et Perot.
5.1 Interférences à trois ondes
Reprenons le montage des fentes d’Young avec trois fentes séparées par une distance a. En un point de l’écran situé à une distance x de l’axe SO joignant la source ponctuelle à la fente centrale, nous aurons superposition de trois ondes de même amplitude dont les phases sont en progression arithmétique de raison δ ϕ = 2 π a x /(λd ). Ceci n’est rigoureux que si la source S est loin du plan des fentes, pour que les trois phases sur les fentes puissent être considérées comme égales, et que la distance d du plan des fentes à l’écran soit très grande devant a et x pour que la différence de phase soit nulle entre les trois ondes au point de l’écran situé sur l’axe SO.
On vérifie exactement ces conditions en plaçant la source au foyer d’une lentille placée devant les fentes, donnant ainsi des ondes planes incidentes sur les fentes, et en plaçant l’écran au foyer d’une deuxième lentille placée après les fentes. Les franges et la source sont ainsi rejetées à l’infini par rapport au plan des fentes.
L’amplitude résultante s’écrit en fonction de ϕ :
La construction de Fresnel montre que l’amplitude résultante est maximale pour ϕ = 0 ± 2 k π, en phase avec l’onde transmise par la fente centrale....
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Interférences à ondes multiples
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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