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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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L’interféromètre de Michelson
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2. Premiers interféromètres à deux ondes
L’interféromètre de Young, particulièrement didactique pour bien comprendre le phénomène des interférences lumineuses, les problèmes de cohérence spatiale et de cohérence temporelle, présente l’inconvénient majeur de limiter considérablement l’étendue de la source. Celle-ci doit rester plus fine que l’interfrange, ce qui conduit à des montages de très faible luminosité.
Pour observer des franges avec une source étendue, il faut travailler avec des franges localisées, c’est-à-dire qu’elles ne sont observables que là où la différence de marche entre rayons qui interfèrent ne dépend pas, ou dépend peu, de la position de la source. Nous verrons avec l’interféromètre de Michelson et l’interféromètre de Fabry et Perot des franges parfaitement localisées : les anneaux à l’infini. Mais avant ces interféromètres ont existé quelques montages dont certains sont encore d’actualité.
2.1 Interféromètre de Jamin
L’interféromètre de Jamin (1818-1886) est constitué de deux lames de verre à faces planes et parallèles argentées sur une face (aujourd’hui ces lames seraient aluminées) d’assez forte épaisseur (10 à 20 mm). Ces deux lames sont parallèles et disposées comme indiqué sur la figure 6. Un faisceau de lumière incident à 45o sur la première lame se partage en un faisceau réfléchi par la face avant et un faisceau réfléchi par la face métallisée. Ces deux faisceaux, repris par le deuxième miroir, subissent à nouveau le même partage. Les chemins optiques des faisceaux réfléchis deux fois de suite par la face avant et ceux des faisceaux réfléchis deux fois de suite par la face métallisée sont très différents des autres et ne donneront pas lieu à interférences avec des sources qui ne sont pas des lasers. Ils donneront un fond continu dont nous ne parlerons pas. Il faudra cependant les éliminer par des diaphragmes pour ne pas perturber l’observation des franges.
Le faisceau réfléchi sur la face avant de la première lame et sur la face métallisée de la deuxième lame a subi le même chemin optique que le faisceau réfléchi par la face métallisée de la première lame et par la face avant de la deuxième lame. Ces deux faisceaux...
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Premiers interféromètres à deux ondes
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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