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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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Interférences à ondes multiples
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4. Interféromètre de Mach-Zehnder
Dans l’interféromètre de Michelson, les franges sont localisées à l’infini si les images des miroirs dans la lame séparatrice sont parallèles, et elles sont localisées sur les miroirs si ces images forment un petit angle. Les interférences lumineuses qui permettent d’observer des variations locales de chemin optique sont un outil puissant pour étudier les variations d’indice de l’air dans une soufflerie. Il est intéressant de pouvoir localiser les franges de coin d’air sur la maquette en cours d’étude. C’est ce que permet l’interféromètre de Mach-Zehnder, qui est un montage dérivé de l’interféromètre de Michelson avec des degrés de liberté supplémentaires.
Une lame séparatrice S à 45o envoie les faisceaux réfléchi et transmis sur deux miroirs M1 et M2 à 45o (figure 13). Les deux faisceaux viennent interférer sur une lame mélangeuse à 45o et deux systèmes de franges en opposition de phase sont observables simultanément. La symétrie de l’interféromètre est parfaite pour les faisceaux transmis dans la direction d’incidence : la frange centrale en lumière blanche est parfaitement blanche. Autour d’elle on observe les couleurs parfaites de la première échelle de teintes de Newton. Dans la direction perpendiculaire, on observe, en l’absence d’absorption sur les lames séparatrice et mélangeuse, un système d’interférences complémentaire du premier. En lumière blanche on observe les couleurs parfaites de la deuxième échelle de teintes de Newton. Dans le cas de l’interféromètre de Michelson, il y a toujours des déphasages chromatiques à la réflexion et à la transmission sur la lame séparatrice qui perturbe la mise en phase des interférogrammes de longueurs d’onde différentes à la différence de marche zéro. On peut jouer sur ces déphasages en modifiant très peu l’incidence de la lame compensatrice, ce qui ne dérègle pas l’interféromètre, et l’on peut obtenir à volonté soit la première échelle des teintes de Newton, soit la deuxième échelle, soit toute échelle intermédiaire. Mais la mise en phase (ou en opposition de phase) des interférogrammes à la différence de marche zéro n’est pas parfaite pour tout le spectre visible.
On peut montrer que dans un interféromètre...
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Interféromètre de Mach-Zehnder
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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