Comme nous l’avons vu dans l’article sur les interférences, deux ondes qui se propagent dans le même espace vont interférer entre elles.
Il est très simple de provoquer des interférences par exemple avec deux surfaces semi réfléchissantes comme des lames de verre placées l’une au dessus de l’autre et illuminées par une source de lumière collimatée.
Note : pour simplifier les explications, nous ne considérerons qu’une seule face de chaque lame est semi réfléchissante. Dans un cas réel, la face à étudier est traitée par une couche très fine de dépôt métallique – typiquement un flash d’or – qui permet de s’affranchir des réflexions des faces qui ne sont pas étudiées.
Le front d’onde plan généré par le collimateur va être partiellement réfléchi par la première lame A (en vert), et le reste de la lumière qui traverse A sera à son tour partiellement réfléchi par la lame B.
Dans l’espace compris entre la lame A et le collimateur, les deux réflexions vont interférer. Les deux ondes issues de la réflexion ont la même longueur d’onde mais à cause de l’écart de distance parcourue par l’onde réfléchie par la lame B, elles seront plus ou moins déphasées.
Si nous placions un écran virtuel sur le trajet de la zone d’interférence et si cet écran était décalé par rapport au plan des deux lames de verre (ce qu’on appelle le tilt), nous verrions les différents niveaux d’intensité dus aux interférences sur la forme de franges parallèles.
Sur cette figure d’interférence, chacune des franges lumineuses représente la phase d’intensité la plus élevée. L’écart entre chaque frange lumineuse représente une longueur d’onde de la source lumineuse.
Il est extrêmement facile de provoquer et observer ces franges d’interférences. Il suffit de placer deux verres plans l’un sur l’autre sous une lumière éloignée, de préférence à spectre étroit comme un néon, et les interférences entre les réflexions de chacune des lames seront visibles.
C’est l’expérience dite du coin d’air. Si l’on place sur la lame du dessous une lentille convergente à la place de la seconde lame, les interférences seront circulaires et concentriques. Ce sont les anneaux de Newton.
Dans les exemples que nous venons de voir, nous avons considéré que tous les éléments des expériences étaient parfaits : les lames de verre sont parfaitement planes, et le front d’onde est lui aussi plan.
Si, dans le cas du coin d’air, la lame supérieure présente un défaut de planéité, celui-ci va entraîner un déphasage de l’onde réfléchie.
Dans ce cas, les franges ne seront plus parallèles car elles seront affectées par le déphasage.
Il est donc possible d’utiliser les interférences pour mettre en évidence un défaut de l’un des composants : c’est la base de l’interférométrie utilisée en métrologie. Dans le cas de l’exemple ci-dessus, il est possible de connaître non seulement la localisation du défaut, mais aussi de le quantifier en relevant l’importance de l’écart des franges en fonction de la longueur d’onde.
Si l’écart L entre deux franges représente une longueur d’onde, soit par exemple 635nm, alors le défaut sur l’onde dû à l’imperfection de la lame sera égale à L’/L x 635nm.
Il est donc possible de mettre en évidence les défauts de la lame avec une précision de l’ordre du nanomètre, ce qui serait très difficile à faire avec une méthode de mesure mécanique. Les difficultés de la mesure par interférométrie tiennent à l’obtention d’une source de lumière collimatée parfaite, et d’une optique de référence capable de générer le front d’onde parfait qui interférera avec le front d’onde à mesurer.
Partant de ce principe, plusieurs configurations d’interféromètre qui portent le nom de leur inventeur ont été développées depuis le 19eme siècle à partir des anneaux de Newton et de l’interféromètre de Fizeau : Michelson, Twyman-Green, Mach-Zender, Sagnac, Bath…
Cette introduction forcément simpliste ne rend pas compte du champ d’application particulièrement étendu de l’interférométrie. Voici quelques exemples d’application de l’interférométrie :
- – Mesure de profils d’objects (profilomètre)
- – Mesure de vibrations
- – Mesure des distances et des vitesses (LIDAR « radar laser »)
- – analyse des mouvements de l’atmosphère (LIDAR)
- – microscopie des milieux discontinus (Wafer par exemple)
- – Analyse non destructive de tissus vivants (rétine par exemple)
- – centrales inertielles (gyrolaser)
- – granulométrie
- – analyse d’aérosols
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