• Qu'est ce que l'holographie (1) : Interférences lumineuses.

         Peut être avez vous le souvenir de la campagne présidentielle au cours de laquelle Monsieur Mélenchon a prononcé deux discours dans deux villes différentes, en étant présent devant ses auditeurs, qui le voyaient parler. En réalité son corps de chair et d'os n'était présent qu'à un seul endroit. Dans l'autre ville son corps était une illusion grâce aux nouvelles technologies : un hologramme. C'était une première en matière d'utilisation politique des hologrammes !!! Je ne sais pas qui a eu cette idée géniale.


         Une de mes correspondantes avait demandé à son frère de lui expliquer ce qu'était une "holographie". Il lui a dit de demander à son professeur de physique, mais je ne pense pas que ce soit au programme des cours.
         Alors je vais essayer de vous expliquer cela, le plus simplement possible, mais, en trois articles pour que cela ne soit pas trop indigeste.
    Mais vous ne comprendriez pas, si vous n'avez pas étudié les interférences de lumière en terminale (et puis c'est peut être loin dans vos souvenirs).

        On va donc d’abord parler lumière et interférences, ainsi que lasers.

        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 entité mathématique, 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 nulle ou très faible.
     
     La lumière émise par un laser:

        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).

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/ondelumineuse.jpg
        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).

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/image010.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/image011.jpg

        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.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/image008.jpg
        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.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/interferences.jpg
        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.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/frangesfentes.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/200pxInterferenz.jpg




        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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