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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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Interféromètre de Mach-Zehnder
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3. L’interféromètre de Michelson
L’interféromètre de Michelson est un interféromètre à deux ondes dont les deux bras séparés permettent de nombreux montages. Albert Michelson avait construit son premier modèle à Berlin pour mettre en évidence le mouvement de translation de la Terre par rapport au vide. Nous décrirons d’abord cet interféromètre avant de rappeler les résultats extrêmement importants obtenus grâce à lui.
Une source éclaire une lame séparatrice semi-réfléchissante sous une incidence de 45o. Le faisceau transmis et le faisceau réfléchi dans la direction perpendiculaire tombent sous incidence nulle sur deux miroirs plans M1 et M2 (figure 8) et reviennent en autocollimation sur la lame séparatrice qui devient alors mélangeuse. Une partie des faisceaux repart vers la source. L’autre, à 90o de la direction incidente, tombe sur un détecteur ou sur un écran d’observation. Pour rétablir la symétrie entre les deux bras (la lame séparatrice est traversée deux fois dans un des bras, pas du tout dans l’autre) une lame compensatrice est placée soit contre la lame séparatrice, soit plus loin dans le bras où aucune épaisseur de verre n’était traversée. La lame compensatrice est une lame en tout point identique à la lame séparatrice (épaisseur, indice, direction) mais sans revêtement réflecteur. Nous supposerons que l’on peut négliger les réflexions parasites sur les faces non traitées. Dans des versions modernes de l’interféromètre, les bras peuvent ne pas être orthogonaux, la lame séparatrice étant sous incidence plus faible pour réduire sa surface ou sous incidence de Brewster pour éliminer les réflexions parasites (l’incidence de Brewster, i = a tan n où n est l’indice du verre, supprime toute réflexion aux interfaces air-verre pour une polarisation convenable de la lumière).
À supposer que le pouvoir réflecteur de la lame séparatrice soit égal à 50 %, un flux F incident donne deux flux F /2 dans les deux bras, lesquels retournent chacun un flux F /4 vers la source et vers l’écran. En cas d’interférence constructive vers l’écran, les deux flux F /4 interfèrent en phase pour donner un flux F, et les deux flux F /4 sont en opposition de phase vers la source avec un flux nul.
3.1 Source...
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L’interféromètre de Michelson
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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