Laser interféromètre

Nous voilà avec deux termes techniques un peu barbare « laser interféromètre ». Pour simplifier mon approche, je vous propose d’abord d’appréhender le terme « laser » puis j’aborderais celui d' »interférométrie ». Enfin je vous présenterais les termes « laser interféromètre » utilisé dans le domaine de la mesure de longueur de précision.

Laser

Je ne ferais qu’un petit tour d’horizon sur le laser, vous avez énormément de sites internet qui proposent d’excellentes vulgarisations.

L(light) A(amplification) S(by stimulated) E(emission) R(of radiation), voilà pour l’acronyme!

Si vous vous souvenez que la matière est constitué d’atomes, probablement vous saurez que ces atomes peuvent emmagasiner de l’énergie. L’absorption d’un photon correspond à cette augmentation d’énergie, on parle alors d’atome excité. Maintenant si un autre photon quelconque vient a être absorbé (augmente l’énergie de l’atome excité, celui qui à déjà absorbé un photon), il y trop d’énergie pour l’atome ! Donc il ré-émet les deux photons absorbés, mais ces deux photons sont devenus des clones (ils sont parfaitement identiques), l’atome est une machine à clones !! Ce « clonage » a été prédit par Einstein autour 1917 en parlant de l’émission stimulée.

laser interféromètre, atome excité

Imaginons maintenant que nous avons de la matière qui absorbe des photons et que les atomes de cette matière deviennent excités. Si on envoie un photon rencontrer un atome excité, ce dernier émettra deux photons clones qui rencontrerons deux autres atomes excités qui emmétrons chacun deux photons clones et ainsi de suite, nous obtiendrons, avec les millions de millions d’atomes d’un bloc de matière, une émission de photon tous semblables.

laser interféromètre, atomes excités

Pour obtenir un faisceau de photon, il suffit maintenant de les laisser sortir de la matière par un petit trou !

laser interféromètre, faisceau photons

C’est un faisceau laser, tous les photons émis sont identiques (des clones). Ceci signifie que ces photons aurons la même longueur d’onde et seront en phase.

Un laser est un appareil qui émet un faisceau lumineux, avec des photons de même longueur d’onde (définit la « couleur », voir le panel actuel possible) , de même phase (la polarité) et en plus ce faisceau est unidirectionnel et très légèrement divergent (taille du rayon, exemple laser avec un diamètre de sortie 1mm on aura un diamètre d’environ 1.5m 10km plus loin)

Quelques propositions sur « youtube » :

Interférométrie

Pour comprendre le terme interférométrie, il est nécessaire de connaître ce qu’est une onde. Vous avez tous déjà « toucher » une onde comme des ronds dans l’eau, vous entendez de la musique qui est (sont) de(s) onde(s) sonore(s).

laser interféromètre, ronds dans l'eau

Les ondes :

  • pour la vision c’est par exemple des vagues
  • pour l’audition c’est par exemple un son

Pour encore mieux concrétiser la chose, prenons deux exemples. Premier exemple, d’abord la différence entre un courant d’eau et une vague. Le courant d’eau c’est le déplacement des molécules d’eau qui crée le mouvement (déplacement et mouvement sont parallèles), tandis qu’une vague c’est la variation du déplacement vertical des molécules d’eau qui crée le mouvement perpendiculaire de l’onde. Et hop un petit schéma pour clarifier cela :

  laser interféromètre, courant eau, vagues et ondes

Oui, c’est vrai ! Comme exemple de courant d’eau je pouvais prendre plus classiquement une rivière, mais bon quand on aime, on ne compte pas !

Deuxième exemple: le vent et la parole. Le vent est un déplacement des molécules d’air, la parole est la variation de la pression de l’air (concentration des molécules).

 laser interféromètre, ondes exemples   laser interféromètre, ondes exemples

 

définition d’une onde

Rapidement : « c’est une variation temporaire et locale d’un milieu qui se déplace de proche en proche« , ou plus scientifique et élaboré sur wikipedia. Ou encore ce petit exposé vraiment réussi sur youtube :

Une onde est définie :

  • par son support (pression air ⇒ onde sonore, niveau d’eau ⇒ vague, variation de champs électromagnétiques ⇒ ondes électromagnétique, etc ).
  • par son amplitude (grandeur de la variation).
  • par la vitesse de la variation (longueur d’onde ou fréquence).

laser interféromètre, ondes schéma

ondes Lumineuses

Comme nous nous intéressons aux lasers interféromètres, nous allons nous concentrer sur les ondes électromagnétiques et plus particulièrement les ondes lumineuses. La variation de champs électriques et de champs magnétiques forment les ondes électromagnétiques. Afin d’être parfaitement clair, je vous rappelle que les ondes lumineuses, les rayons X, les rayons Gamma, les ondes radio, les ondes des mobiles, les ondes WiFi,  etc sont toutes des ondes électromagnétiques la seule différence est leur longueur d’onde.

laser interféromètre, ondes fréquences

Les ondes lumineuses ce sont celles que notre capteur humain (oeil) peut détecter. Nos yeux sont capables de réagir aux ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est située entre 400 et 750 nm. Ces ondes électromagnétiques sont appelées communément ondes lumineuses.

Certains lasers produisent des ondes lumineuses dites « invisibles », ce qui est un abus de langage car si c’est invisible ce n’est pas une onde lumineuse. Bien sûr comme toujours, les choses ne sont aussi « parfaitement réglées ». Nos yeux détectent des longueurs d’ondes inférieures aux infrarouges mais sans transmettre ces informations au cerveau, donc on les détecte mais on ne le sait pas. Certain animaux détectent mal les couleurs par exemple le chat, son spectre visible n’est interprété qu’en tons verts, bleus et plutôt pastel. Les abeilles c’est l’ultraviolet, le bleu et le jaune !

Le lien entre onde et faisceau de photons

C’est simple lorsque l’on parle d’onde sonore (onde de pression) le vecteur, le messager c’est la molécule d’air. Dans le cas des vagues, c’est la molécule d’eau le support de l’onde (la vague). Pour les ondes électromagnétiques, c’est le photon.  Un faisceau de photons, c’est une onde électromagnétique, et si notre oeil est capable de voir ce faisceau, c’est une onde lumineuse.

Les ondes électromagnétiques se comportent parfois comme un faisceau de petites particules, d’autre fois comme une onde. Je n’entre pas dans le détail de la chose qui sort du cadre de cet article, mais pour ceux qui s’intéressent à la chose, faites une recherche sur la dualité onde-corpuscule sur internet.

Expérience de Young et nature ondulatoire

Nous voilà prêt pour aborder la notion d’interférométrie. Comme son nom le suggère, c’est la science s’occupant d’interférence, c’est-à-dire de mélange. Observons une vague (une onde) qui se déplace, il y a des creux et des bosses. Maintenant imaginons que nous avons deux vagues qui se déplacent l’une vers l’autre, par exemple deux ronds dans l’eau.

laser interféromètre, ondes interférences

Ce que l’on remarque c’est qu’à la rencontre des deux vagues il y a des combinaisons des vagues, en fait la zone de rencontre c’est l’addition des deux vagues. En résumé l’addition des vagues montre un motif (une vague) différent des deux vagues initiales. Les vagues interfèrent pour générer une nouvelle vague, c’est de l’interférométrie. Les ondes de même nature (comme des vagues par exemple) interfèrent entres-elle et donnent naissance à des motifs, des ondes d’interférométriques.

Pour illustrer ceci voici le schéma de la très célèbre expérience des fentes de Young (vidéo 4’50 )

                                  laser interféromètre, fentes de Younglaser interféromètre, franges interférences

On appelle le motif résultant : franges d’interférences.

Exemple d’utilisation des franges d’interférences en métrologie :

Laser interféromètre, verre plan

Michelson, l’interférométrie en division d’amplitude

Maintenant comment utiliser ces phénomènes pour mesurer des longueurs par exemple. Avec son interféromètre, Albert Michelson (1880) nous montre la voie et avec Edward Morley, ils l’ont appliqués à la mesure très précise de distance et aussi  à la mesure de la vitesse de la lumière. Pour l’anecdote, lors de la mesure de la vitesse de la lumière (avant 1890), ils ne parvinrent  pas à montrer que cette vitesse était différente selon les directions à cause du mouvement de la terre, il fut conclu que l’expérience fût un échec. C’est plus tard que l’on compris que la vitesse de la lumière est un invariant, ils l’avaient prouvé avant l’heure !

Le principe est en fait assez simple :

laser interféromètre, Michelson interféromètre

Les franges d’interférences observées sur le plan de réception provient de la différence de distance que la lumière parcourt selon la longueur du chemin noir ou bleu. Dans le cas d’un faisceau laser on remarque que l’espacement des franges est la moitié de la longueur d’onde du laser. De plus, lors d’un déplacement du miroir mobile, les franges se déplacent également, il suffit donc de les compter pour en déduire le déplacement du miroir.
Petite vidéo sur l’application à la biologie du laser interféromètre.

Laser interféromètre et mesure

Comme vous l’avez compris maintenant le laser interféromètre est un appareil qui combinent des ondes lumineuses (ou hors visible) et qui analyse le motif de la combinaison de ces ondes cohérentes (même longueur d’onde, même polarisation).  Voici un exemple d’appareil et quelques vues d’une mesure de déplacement d’une coulisse (axe) d’une machine industrielle. Le but est de savoir lorsque l’on demande un déplacement d’un millimètre à la machine, est-ce que son déplacement est vraiment d’un millimètre. J’ai réalisé ces mesures avec Michel, la machine est une SIP, les spécialistes apprécierons les résultats.

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Résultats des mesures : en recherche ….  :-), je parlais de quelques jours ……. je ne les retrouvent pas, c’est dommage car ils étaient excellents, cette machine est remarquable ! Merci de votre patience peut-être en mars 2017, quand j’aurais accès à mes « archives ».

Quelques appareils du commerce (liste au hasard) : Keysignt (anciennement Agilent, HP), Zygo, Renishaw, Feanor, Trioptics, etc..

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Installations pour la mesure de distances astronomiques, toujours avec le principe des interférences :
laser interféromètre, VLT
VLT (Very Large Telescope), Chara, etc…

Conclusion

Le laser peut-être utilisé et est utilisé de beaucoup de manières. Dans de nombreux cas, c’est le seul instrument utilisable possible, le laser est devenu incontournable de nos jours.
Dans la mesure de longueur (mécanique, chantier, etc), le laser interféromètre est même l’instrument de référence.