TP Phy N°07 TS1 Photonique INTERFEROMETRE DE MICHELSON rieur". 3. TRAVAIL DEMANDE 3.1 Réglages et observations Durée: 3H. Ce T.P. comporte 6 pages. 1. MATERIEL /DOCUMENTATION 3.1.1 Description : Interféromètre Sopra - Laser He-Ne - Lampe à vapeur de Mercure - Lampe à incandescence - Condenseur - Dépoli - Lentilles f = 500mm, f = 150mm Spectroscope miniature - Tableau des teintes de Newton. M1 : miroir mobile dont le déplacement est commandé par la vis micrométrique P1. Il peut être orienté grâce aux vis V1 et V2 (cadre 1). M2 : miroir fixe dont la position peut être préréglée. Il peut être orienté grâce aux vis V3 et V4. Cp : lame compensatrice pouvant être orientée par les vis C1 et P2. (cadre 12). Sp : lame séparatrice, sa face réfléchissante regarde M2. Ac : verre anticalorique. 2. INTRODUCTION On se propose, après réglage complet de l'appareil, d'observer des franges annulaires d'égale inclinaison, des franges rectilignes d'égale épaisseur puis des franges en lumière blanche au voisinage de l'ordre zéro. D'un point source, Sp sépare le trajet d'un rayon en deux chemins. La différence de marche entre ces chemins dépend essentiellement de la position des miroirs M1 et M2. On s'efforcera de bien comprendre à l'aide de schémas la forme et la localisation des franges et à démontrer les formules de différence de marche. 3.1.2 Réglages On utilise la configuration du cadre 1 où on s'efforce d'avoir deux chemins de même longueur, Sp parallèle à Cp et les plans des miroirs M1 et M2 orhogaunaux. On terminera cette étude par l'observation des teintes de Newton à centre noir obtenues en teinte plate, ainsi que le spectre cannelé obtenu par analyse au spectroscope de la lumière "d'ordre supé- V3 1. Placer approximativement M1 et M2 équidistants V4 M2 P2 Source V2 Sp C1 S Cp M1 Ac V1 P1 Observateur cadre 1 : Schéma d'ensemble. 769901696 - 1/6 - 27/05/17 TP Phy N°07 TS1 Photonique denseur C (Cadre 3). Faire l'image des anneaux sur l'écran E dans le plan focal de la lentille L (500mm). de Sp (vis P1) : les chemins optiques sont alors presque égaux. 2. Cadre 4 (a) : Le trou I d'un diaphragme à iris servant de sources, faire coïncider les images de I à travers l'ensemble Cp-Sp (vis C1 et P2) : Cp est alors parallèle à Sp. Montrer le résultat à un professeur. Ouvrir Michelson.xls. Sur la feuille "Egale inclinaison" cliquer plusieurs fois sur le bouton rouge en lisant les informations et instructions. Le schéma optique se construit. 3. Cadre 4 (b) : Le trou I est placé sur l'axe de M1. On observe plusieurs images de I venant de réflexions multiples, en particulier de M1 et M2. Les faire coïncider (vis V1 et V2 et si nécessaire V3 et V4) : M1 et M2 sont alors orthogonaux. Compléter le schéma du cadre 2 (brouillon) puis cadre 14 (à rendre avec le compte-rendu) en traçant les rayons réfléchis par M1 et M2 issus d'un même rayon incident d'inclinaison i et parvenant au point P de l'écran. Calculer le chemin optique de ces rayons et démontrer que leur différence de marche est: 2e cos(i) 2 e est l'écart entre les miroirs et i l'inclinaison des rayon. Etudier les rayons qui interfèrent en sortie d’appareil (avant la lentille L), où se rencontrent-ils ? Expliquer pourquoi on dit que les franges d'égale inclinaison sont des anneaux localisés à l'infini. 4. Remplacer le diaphragme par un dépoli. On doit observer des franges très fines. Les agrandir (vis P1) jusqu'à observer des anneaux et les centrer (vis V1 et V2). Montrer votre montage à un professeur. 5. Affiner les réglages : observer les franges en déplaçant l'œil de haut en bas. Si les anneaux semblent défiler agir sur V3. De même déplacer l'œil de droite à gauche et utiliser la vis V4. 3.2.2 Franges d'égale épaisseur. Cette procédure de réglage doit être parfaitement maîtrisée, recommencez si nécessaire en vous efforçant de ne pas vous aidez des documents. Replacer le dépoli, retirer L, observer à l'œil. Diminuer e (agir sur P1) de façon à obtenir les anneaux les plus grands possibles : 0. Noter l'indication du micromètre de P1. 3.2 Schéma et démonstrations Agir alors sur V3 ou V4 pour former des franges rectilignes dites "de coin d'air". Le miroir M2 est alors incliné d'un angle . 3.2.1 Anneaux d'égale inclinaison. Affiner les réglages pour observer des anneaux bien centrés. Remplacer alors le dépoli par un con- La m de pe à me va rcu peu re r V3 V4 M2 P2 C V2 Sp Hg C1 Cp M1 Ac V1 P1 L Ecran Cadre 3 : Anneaux d'égale inclinaison cadre 2 : franges d’égale inclinaison 769901696 - 2/6 - 27/05/17 TP Phy N°07 TS1 Photonique Lampe à vapeur de mercure V3 V4 M2 La m de pe à me va rcu peu re r I Trou d'iris V3 P2 V2 Sp Cp M1 V1 V2 Sp Trou d'iris Ac P2 C1 C1 Cp V4 M2 I Hg Hg M1 Ac V1 P1 P1 Observateur Observateur Cadre 4 : a) Réglage du parallélisme de Sp et Cp b) Réglage des miroirs M1 et M2 Retirer le dépoli. Placer la lentille L' (150 mm) (cadre 8) pour faire l'image du miroir M2 sur l'écran. Ajuster la position de la source ou/et placer le condenseur C pour faire un faisceau grossièrement parallèle (inclinaison i 0). Retirer la lampe à vapeur de mercure sans l'éteindre. La remplacer par la lampe blanche. A partir de la position de P1 indiquée par le micromètre précédemment, observer en plaçant devant votre œil un filtre interférentiel vert. Tourner très lentement la vis micrométrique jusqu'à voir apparaître les franges de plus en plus contrastées. Montrer le résultat à un professeur. Utiliser la feuille excel "Egale épaisseur" pour comprendre le schéma optique. M2 O M'1 Cp Sp P M1 p S L"(150mm) L' (150 mm) Cadre 5 : lecture du micromètre : 17,34 mm Compléter le schéma du cadre 8 (brouillon) puis cadre 13 en traçant les rayons réfléchis par M1 et M2 issus d'un même rayon incident parallèle à l'axe et parvenant au point P' d'abscisse X de l'écran. Le point P' est conjugué de P d'abscisse x. Démontrer qu'en P l'épaisseur du coin d'air est x, en déduire que la différence de marche est: 2x 2 p' F O' E cadre 8 : franges d’égale épaisseur P' Où les rayons qui interfèrent se rencontrent-ils ? Expliquer pourquoi les franges d'égale épaisseur sont des droites parallèles localisées sur M2. 3.2.3 Franges en lumière blanche - Ordre zéro. Replacer le dépoli pour une recherche visuelle de l’ordre 0. 769901696 cadre 6 : Franges de coin d'air avec le mercure. - 3/6 - cadre 7 : franges de coin d'air en lumière blanche. 27/05/17 TP Phy N°07 TS1 Photonique Retirer alors le filtre. On observe des franges colorées. La frange d’ordre zéro est axe de symétrie pour la figure, c’est-à-dire pour les couleurs (Cadre 10 elle correspond à une épaisseur d'air e = 0 (contact optique). On a alors = /2 : il y a interférence destructive pour toutes les longueurs d'onde : la frange est noire. De part et d'autre de la frange d'ordre 0 on observe les couleurs de newton chacune correspondant à une épaisseur d'air e = xα. Montrer le résultat à un professeur. 3.3 Réglage en teinte plate. Diminuer l’angle jusqu’à observer une teinte plate. En teinte plate, la différence de marche est constante : si est un multiple d’une longueur d’onde donnée on observe un maximum (cannelure claire) ; si est un multiple + ½ d’une longueur d’onde donnée on observe un minimum (cannelure sombre) dans le spectre observé. Choisir une teinte. Chaque teinte correspond à une différence de marche géométrique indiquée . Faire défiler les couleurs de Newton à centre noire qui sont vives au début, puis de plus en plus délavées, pour laisser place à un blanc d’ordre supérieur. Relever quelques couleurs et les comparer à la liste. Comparez vos observations avec les couleurs obtenues par simulation dans le fichier Teintes_plates.xls. cadre 9 : une teinte plate Cadre 10 : Franges en lumière blanche cadre 11 : jet de gaz. Repérer sur la photo Cadre 15, les couleurs correspondant à = 0,26 µm; 0,55 µm; 0,91 µm; 1,1 µm. Les marquer sur la photo. Choisir une teinte plate et observer le jet de gaz non enflammé d'un briquet (ou d'air comprimé) Montrer à un professeur et expliquer oralement vos observations. La compensatrice est constituée d’un verre de même épaisseur et même indice que la séparatrice. Expliquez pourquoi, en son absence, il serait impossible d’obtenir le contact optique pour toutes les longueurs d’onde en même temps. cadre 12 : Séparatrice et compensatrice. 769901696 - 4/6 - 27/05/17 TP Phy N°07 TS1 Photonique ANNEXE : Schémas à compléter et à rendre avec le compterendu = 2e + /2 M2 M'1 M1 Cp C ou dépoli Sp L F E cadre 14 : Franges d’égale inclinaison M2 M'1 Cp Sp M1 cadre 16 : Teintes (dites de Newton à centre noir) observées pour une différence de marche = 2e + /2 . S C L F E cadre 13 : Franges d’égale épaisseur Cadre 15 : A compléter voir question 3.3 769901696 - 5/6 - 27/05/17 TP Phy N°07 TS1 Photonique NOMS : …………………………….. Date : ……………………… ……………………………. ……………………………. FEUILLE A RENDRE EN FIN DE SEANCE BAREME CORRECTION § 3.1 A noter sur place Travail à faire Réglage ___/3 Anneaux d'égale inclinaison 3.2.1 Montage ___/2 Schéma sur la page 5 à compléter Démonstration = 2ecos(i) + λ/2 Explications - Localisation des franges Franges d'égale épaisseur Montage ___/4 ___/2 Schéma Démonstration = 2xα + λ/2 Explications - Localisation des franges 3.2.2 A noter à l’écrit Franges en lumière blanche Montage ___/4 ___/2 3.2.3 Commentaire Rôle de la compensatrice Réglage en teinte plate: Montage 3.3 Repères des couleurs, schéma à compléter Le travail « à noter sur place » doit être impérativement montré avant la fin de la séance. Le compte-rendu doit être présenté lors de la prochaine séance de TP Total Remarques: 769901696 - 6/6 - ___/1 ___/1 ___/1 ____/20 27/05/17