interferometre de michelson

INTERFEROMETRE DE MICHELSON
1 – Principe et conditions d’obtention des interférences
L’interféromètre de Michelson est un dispositif à deux ondes à division d’amplitude. Il peut
donc conduire à des interférences localisées avec des sources étendues.
Une lame semi-réfléchissante appelée séparatrice divise un faisceau lumineux en deux
faisceaux perpendiculaires de même amplitude. Chacun des faisceaux est ensuite réfléchi par
un miroir puis retombe sur la séparatrice qui va redonner deux faisceaux se propageant dans la
même direction. Ces deux faisceaux présentent une différence de marche qui dépend de la
distance et de l’angle entre les miroirs : ils peuvent donc interférer.
En remplaçant une des miroirs par son image par la séparatrice, on voit que le système est
équivalent à une lame d’air dont on peut faire varier l’épaisseur et l’angle.
Deux types d’interférences peuvent se produire
- si la lame est à faces parallèles , on pourra observer des franges (anneaux) d’égale
inclinaison localisées à l’infini (en pratique dans le plan focal d’une lentille). La taille
de la source n’a aucune importance.
Na
condenseur f = 1 m
Michelson
- Si la lame est un coin d’air (de faible épaisseur) , on pourra observer des franges
(rectilignes) d’égale épaisseur localisées au voisinage de la lame donc des miroirs. Ici,
on peut utiliser une source « assez » étendue (d’autant plus que l’épaisseur moyenne
est plus faible).
Na
condenseur Michelson f = 15 cm
Compensatrice
Afin de respecter la parfaite symétrie entre les deux trajets, une lame « compensatrice » est
placée devant la séparatrice afin que les deux faisceaux traversent la même épaisseur de verre.
2 – Réglages de l’interféromètre
Commencer par identifier les diverses vis de réglage qui permettent de faire varier l’épaisseur
et l’angle de la lame d’air. Dans la suite, on appellera « parallélisme » le fait que la lame
possède une épaisseur constante et « contact optique » l’épaisseur nulle.
A1 A2 : vis de réglage fin du miroir fixe M1
C1 C2 : vis de réglage rapide du miroir mobile M2
C3 : translation (« chariotage ») de M2
B1 B2 : vis de réglage de la compensatrice

- Mettre A1 et A2 à mi-course. Eclairer par un Laser seul. On observe sur un écran deux
ensembles de taches.
- Regrouper au mieux les taches de chaque ensemble en agissant sur B1 et B2
(compensatrice).
- Faire un parallélisme approché en regroupant en une seule série en agissant sur C1 et
C2.
- Elargir le faisceau Laser (lentille de très courte focale ou objectif de microscope). On
doit observer des franges rectilignes. Agir sur A1 et A2 pour les écarter au maximum.
En général, les franges deviennent circulaires ce que l’on observera encore plus en
faisant converger le faisceau élargi sur les miroirs.
- « charioter » (C3) pour faire rentrer les anneaux. Lorsqu’on s’approche du contact
optique, les anneaux sont de plus en plus écartés *. Lorsqu’on dépasse le contact
optique, les anneaux ressortent du centre. Noter la valeur de la graduation du palmer
au voisinage du contact optique.
* si le système d’anneaux se décentre, c’est qu’il reste un angle résiduel . En chariotant, la
courbure change de sens. Les franges sont rectilignes lorsqu’on est au voisinage de l’épaisseur
nulle.
3 – Franges d’égale épaisseur
Utiliser la lampe à vapeur de sodium et agir sur le condenseur pour éclairer au mieux les
miroirs.
Faire l’image des miroirs (bords nets) avec la lentille de projection de 15 - 20 cm de focale.
Mettre un angle (A1,A2) et observer les franges du coin d’air.
Ces franges d’égale épaisseur représentent les « lignes de niveau » de la lame. Constater en
modifiant la position de la lentille de projection que ces franges sont localisées pratiquement
sur les miroirs.
4 – Anneaux d’égale inclinaison
Revenir au parallélisme en écartant les franges précédentes.
Placer cette fois une lentille de longue focale (1 m par exemple) et l’écran dans son plan focal.
Augmenter l’épaisseur (C3) : on observe des anneaux (éloigner un peu la source du
condenseur pour faire converger le faisceau sur les miroirs). En chariotant, on passe
successivement de franges bien contrastées à des quasi-disparitions (brouillages) puis à
nouveau à des franges nettes.
5 – Franges en lumière blanche
Toujours avec la lampe à vapeur de sodium, revenir au contact optique (C3) puis passer en
franges du coin d’air (changement de lentille puis action sur A1A2).
Eclairer avec la lampe Quartz-iode (filtre anticalorique indispensable).
Agir sur C3 très faiblement (1 ou 2 divisions) et très doucement pour voir passer les franges
colorées. En cas de difficultés, interposer d’abord un filtre interférentiel et chercher le
contraste maximum.
6 – Mesures avec l’interféromètre
6.1 – Doublet du sodium ( ou du mercure)

Mesurer sur la graduation de C3 la distance « e » entre 2 brouillages successifs (pour plus de
précision, on peut en pointer une petite dizaine). A faire en direct à l’oral du concours. On
remonte à la séparation du doublet par / 2 e. La longueur d’onde moyenne peut être
prise dans une table ; on peut aussi la mesurer en enregistrant le défilement d’une centaine
d’anneaux.
En préparation, faire un enregistrement (très long , au moins 20 minutes…) avec un détecteur
(voir annexe 2 Enregistrement d’un interférogramme).
Suivant le même principe, déterminer le profil de transmission d’un filtre interférentiel (peut
se faire en direct à l’oral car l’enregistrement ne prend que 2 ou 3 minutes).
6.2 – Taille de la source et localisation des franges
Se placer en coin d’air en lumière blanche (éventuellement avec un filtre coloré).
Diaphragmer la source qui éclaire les miroirs (faire converger la lumière de la QI sur une
fente de largeur variable placée parallèlement aux franges du coin d’air).
Quand la fente est fine, il est possible d’enlever la lentille de projection. En élargissant la
fente, on observe d’abord un brouillage des franges puis une réapparition en contraste faible et
inversé. Lorsque la fente est large ou absente, il faut replacer la lentille de projection : la
localisation des franges est liée à la taille de la source. Il est possible de faire des applications
numériques.
6.3 – Blanc d’ordre supérieur et spectre cannelé
Lorsqu’on s’éloigne de la frange centrale, les franges du coin d’air en lumière blanche
disparaissent et l’on observe du « blanc d’ordre supérieur ». Projeter les franges du coin d’air
à faible distance (d = 4 f = 60 cm) et placer une fente parallèle aux franges à la place de
l’écran. Faire l’image de cette fente et placer un PVD. On doit observer un spectre de lumière
blanche cannelé. Le nombre de cannelures dépend de l’épaisseur de la lame d’air (C3).
6.4 – Autres expériences
- Détermination de l’épaisseur optique d’une lame.
Faire des franges en lumière blanche. Placer une lamelle de microscope devant un miroir et
charioter pour récupérer des franges. L’expérience est assez décevante pour déterminer e ou n
mais elle visualise les défauts de parallélisme de la lame. C’est donc une illustration de la
sensibilité des méthodes interférentielles pour des variations faibles de chemin optique.
- Variation de l’indice d’un gaz.
Comme précédemment mais diriger le jet de gaz d’un briquet (éteint !) au voisinage d’un
miroir.