C’est un peu compliqué, alors je vais essayer de vous l’expliquer en trois articles, pas trop longs, peut être un peu difficiles à lire, si vous n’avez pas étudié les interférence en terminale, comme on le faisait autrefois.
On va donc d’abord parler lumière et interférences.
Propriétés de la lumière :
La lumière est constituée de photons qui transportent de l’énergie, mais on ne peut, en mécanique quantique, connaître de façon précise les caractéristiques d’une particule dans le temps et dans l’espace (parce qu’en voulant les mesurer on perturbe son mouvement).
On ne peut donc connaître que des caractéristiques statistiques sur un grand nombre de photon, et ces valeurs sont décrites par les caractéristiques d’une « onde associée ».
L’onde associée à la particule n’est pas matérielle comme les ondes sonores ou les vagues, il s’agit plutôt d’une onde porteuse d’information sur la probabilité de trouver a particule, (ici le photon), en un point donné. Ainsi, la particule a une forte probabilité de se trouver à un instant donné, dans les zones de grande amplitude de l’onde, mais très peu de chances d’apparaître en des points où cette amplitude est faible.
La lumière « pure » d’un laser a quatre propriétés :
- son intensité : c’est le nombre de photons émis et donc la quantité de lumière transportée par le faisceau.
- son monochromatisme : les photons ont tous la même énergie. On peut l’associer à la fréquence ou longueur d’onde de l’onde associée. La lumière a une seule couleur précise.
- la cohérence spatiale : elle correspond au départ de tous les rayons lumineux d’un seul point du fait que le rayon laser est très directif et très droit.
- la cohérence temporelle ou « phase » : correspond à un départ simultané des rayons lumineux à partir de la source; donc en un point donné, les photos qui sont partis en même temps, arrivent en même temps : ils dont « en phase ».
Arrivée en un point de deux groupes de photons.
Supposons deux groupes de photons partis en même temps de la même source laser. Le comportement statistique de ces photons peut être représenté par celui de l’onde. L’intensité de la lumière transportée par chaque groupe, peut être représentée par une sinusoïde, dont la distance entre maxima d’intensité est égale à la longueur d’onde de la lumière (et donc fonction de sa couleur).
Supposons que les deux groupes de photons aient parcouru le même chemin. Il arrivent en un point en même temps, et donc les ondes sont identiques et s’ajoutent (figure de gauche); on dit qu’elles sont « en concordance de phase ».
Mais supposons que nous n’ayons pas fait subir le même chemin aux deux groupes et que la différence de chemin soit d’une 1/2 longueur d’onde. Les deux ondes sont alors « en opposition de phase », et elles se détruisent mutuellement. (figure de droite).
Supposons un troisième cas où la différence de chemin est intermédiaire, les ondes se composent en fonction de cette différence ∂, et cette composition est toujours inférieure à celle maximale où les ondes sont en phase.
Interférences lumineuses.
Supposons deux sources lumineuses d’intensités voisines, de même longueur d’onde, et cohérentes (deux lasers par exemple mais accordés pour que les émissions soient simultanées). En fait on ne procède pas comme cela mais on utilise un laser unique éclairant 2 fentes S1 et S2 proches l’une de l’autre, mais assez éloignées de S.
S1 et S2 jouent le rôle de sources cohérentes, c’est à dire qu’elles sont dans le même état vibratoire.
De façon régulière on rencontre sur l’écran mis dans le champ d’interférences, des lignes verticales le long desquelles les distances et temps de parcours à partir des deux fentes sont identiques : la lumière est alors maximale
De même on va trouver des lignes verticales où la différence de distance de parcours entre les deux faisceaux est égale à 1/2 longueur d’onde : la lumière est alors nulle.
On a alors sur l’écran des « franges » analogues à la figure ci dessous à gauche.
Dans le cas où l’on utilise de petits trous au lieu de fentes fines, le phénomène est le même, mais la répartition des zones d’interférence est presque circulaire et plus compliquée du fait qu’il existe une distance entre les sources horizontalement, mais pas verticalement. Les franges ont l’allure de la figure ci dessus à droite.
Ces figures sont appelées des franges de Young, physicien qui les a découvertes.
Maintenant que nous savons ce que sont des interférences lumineuses, nous allons pouvoir expliquer ce qu’est un hologramme. Ce sera pour demain.
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