interféromètres

Instruments dont le principe de fonctionnement utilise les propriétés des interférences lumineuses.

Interféromètres à séparation spatiale

Une source lumineuse ponctuelle de lumière quasi monochromatique A envoie dans l’espace une onde sphérique Σ. Deux trous S₁ et S₂ percés dans un écran E placé sur Σ constituent des sources de vibrations cohérentes et de même fréquence (fig. 1). Dans la partie commune (si elle existe) aux deux faisceaux issus de S₁ et S₂, on observe un phénomène d’interférence. La description d’un interféromètre consiste à montrer la technique utilisée pour obtenir ce résultat.

• Interféromètre de Young. Les trous sources S₁ et S₂ percés dans l’écran E sont de faible diamètre. La lumière issue de ces trous est diffractée dans un angle solide important. Le phénomène d’interférence est observé dans la partie commune aux faisceaux diffractés. Les franges ne sont pas localisées. L’interféromètre possède un plan de symétrie (celui de la figure) ; les franges obtenues sont perpendiculaires à ce plan. (Elles se présentent [fig. 2] sous la forme d’une succession de droites brillantes ou sombres équidistantes.) Si λ désigne la longueur d’onde, 2a la distance S₁S₂, D la distance des écrans E et O (O écran d’observation), l’interfrange i est donné par la formule

Les deux trous S₁ et S₂ ont même diamètre, l’éclairement I₁ envoyé par chacune des sources sur l’écran E est le même ; la distribution de l’éclairement dans le phénomène d’interférence est donnée par l’expression

(fig. 3) ; y est la distance à la médiatrice du segment S₁S₂ du point M où on observe les franges. On peut remplacer les points A, S₁, S₂ par des fentes perpendiculaires au plan de symétrie. L’aspect du phénomène n’est pas changé, mais la quantité de lumière est très augmentée. Une variante de ce montage est décrite sur la figure 4. Devant l’écran E est placé un objectif qui de A forme l’image A′. L’objectif étant diaphragmé par la seule fente S₁, on obtient, centrée sur l’image géométrique A′, une tache de diffraction indépendante de la position de S₁. Les taches de diffraction dues à S₁ et S₂ sont superposées, et la répartition de l’intensité lumineuse dans la tache de diffraction est modulée par le phénomène d’interférence de Young.

• Interféromètre de Rayleigh. L’interféromètre de J. W. Rayleigh est un interféromètre de Young complété par deux cuves identiques A et B (fig. 6).

Lorsque les deux cuves contiennent le même gaz (température et pression identiques), le chemin optique y est le même. La frange centrale est au centre du champ. L’introduction d’un gaz d’indice différent dans la cuve B fait varier la valeur du chemin optique dans cette cuve ; la frange centrale subit un déplacement qui est fonction de la différence d’indice des deux gaz, ce qui permet, connaissant l’un, la mesure de l’autre indice. Cet instrument rend possible la détection de gaz nocifs polluant l’atmosphère.

• Expérience de Michelson. La visibilité des franges observées dans un interféromètre à séparation spatiale dépend du diamètre apparent 2α de la source (v. interférences). Une fente large monochromatique (de longueur d’onde λ) éclaire deux trous de Young S₁ et S₂ distants de 2a. La visibilité des franges dans l’interféromètre dépend du module du degré de cohérence partielle des points S₁ et S₂, valeur calculée en appliquant le théorème de Zernike. Le module du degré de cohérence partielle

est nul pour une source de diamètre apparent Michelson a utilisé cette méthode pour mesurer visuellement les diamètres apparents de quelques étoiles. Les diamètres stellaires sont si faibles que Michelson plaçait devant un télescope une poutre supportant deux miroirs éloignés de plusieurs mètres (fig. 7) ; 7 m environ pour une étoile de 0,02 seconde de diamètre apparent.

• Miroir de Lloyd. Nous citerons pour mémoire les dispositifs des miroirs de Fresnel*, du biprisme de Fresnel, des bilentilles de F. Billet, et nous nous attarderons sur l’expérience de H. Lloyd (fig. 8). Une source S éclaire un miroir plan P. En un point M voisin du miroir arrivent des rayons directement transmis ou réfléchis par le miroir. Le point M reçoit des rayons lumineux issus du point S et de son image S′ dans le miroir. Ces deux sources sont cohérentes et on observe des franges dans la partie éclairée d’un écran passant par M. Cette expérience a eu un développement récent en radio-astronomie. Un miroir plan sous la forme d’une grande étendue d’eau et un radiodétecteur placé sur une falaise recevant simultanément le flux direct d’une radiosource céleste et le flux réfléchi par l’eau donne naissance à un radio-interférogramme.

Interféromètres à division d’amplitude

Les interférences sont obtenues en superposant deux ondes issues d’une même onde incidente, dont l’amplitude est divisée en deux parties en utilisant une séparatrice (miroir semi-transparent qui est à la fois partiellement réfléchissant et transparent). Les franges obtenues sont de deux types : franges d’égale épaisseur et phénomène à l’infini (v. interférences).

Nous décrirons un interféromètre dérivé de celui de Fizeau* pour l’étude des franges d’égale épaisseur d’une lame épaisse.

Une source S, placée au foyer de l’objectif O₁, éclaire une lame épaisse M sous une incidence presque normale (fig. 9). Une partie de l’énergie lumineuse est réfléchie par la face AB, une partie est transmise, réfléchie par la face DC et réfractée de nouveau par AB. La division d’amplitude se fait au niveau de AB.

Les franges localisées au voisinage de M sont observées grâce à un œil placé au foyer image de O₂, où est située l’image S′ de S ; M est placé au foyer objet de O₂. En l’absence de franges, le champ observé est uniforme (image de la source sur la pupille d’œil). Les franges modulent le champ et dessinent les lignes d’égale épaisseur de la lame. L’observation des franges est possible lorsque la longueur de cohérence de la source L est supérieure à la différence de marche δ = 2 ne.

La raie verte d’une lampe à mercure basse pression permet d’observer des différences de marche de quelques centimètres. Celle d’une lampe à mercure isotropique, 30 cm environ.