Chapitre 2. Interférence A. Introduction A.1. Définition A.2. Interférences constructives et destructives A.3. ordre d’interférences A.4. Le contraste A.5. Longueur de cohérence: B. Interférence par division du front d’onde B.1. Trou d’Young B.1.1. Expérience d’Young B.1.2. Calcul d’intensité B.1.3. Calcul du déphasage B.1.4. Franges d’interférence B.2. Miroir de Lloyd B.3. Miroirs de Fresnel. B.4. Bilentille de Billet. B.5. Biprisme de Fresnel. 1 C. Interférence par division d’Amplitude C.1. Lame à face parallèle C.1.1. Coefficients de FRESNEL C.1.2. Coefficients de réflexion et transmission en intensité C.1.3. Présentation de l’interféromètre C.1.4. Calcul de la différence de marche C.2. Lame coin C.2.1. coin de verre ou lame prismatique C.2.2. coin d’air C.3. Dispositif de Newton 2 A. Introduction Exemples • • Ailes d’un papillon ( Alumière incidente perpendiculaire à la surface de l’aile; Blumière incidente inclinée par rapport à la surface de l’aile • Flaque d’huile sur la route 3 • • Les couleurs des plumes de paon varient en fonction de l’angle d’observation (a et b). Ces couleurs disparaissent lorsqu’on observe les plumes à l’envers et par transparence (c). bulle de savon 4 A.1. Définition L’interférence est la superposition de deux ou de plusieurs ondes, produisant une onde résultante, a condition que ces deux ondes soient: Synchrones : ondes qui ont la même fréquence f (aussi 𝜔 2𝜋 même longueur d’onde puisque ). 𝑘= = 𝑐 𝜆 Cohérentes : présentant un déphasage constant au cours du temps (=2- 1=constante). Il y aura un phénomène d’interférence lorsque l’intensité de la superposition de plusieurs ondes n’est pas la somme des intensités de chacune de ces ondes: I I1+I2 ou on note aussi E E1+E2 (éclairement) Remarque: I = I1+I2 +I12 où I12, algébrique, est le terme 5 d’interférences. Les deux atomes sources S1 et S2 sont caractérises par ω1 et ω2, ou encore par λ1 et λ2 donc par les vecteurs d’ondes : et sont les vecteurs unitaires des directions S1M et S2M. Déphasage aléatoire 6 La superposition des ondes au point M donne : L´éclairement est donné par : On obtient après calcul ( : est une constante multiplicative. ): L’´eclairement enregistré par un récepteur est une moyenne : Ceci n’est possible que si : est indépendant du temps. 7 est indépendant du temps si : et Ceci est bien réalisée si l’on utilise : une seule source Cette formule est la formule fondamentale des interférences à deux ondes avec deux ondes contribuant de façon différente à l’´eclairement. La plupart du temps, on étudie des situations ou E1 = E2 = E0 et on se réfère alors a : 8 A.2. Interférences constructives et destructives Il y a interférence constructive: deux ondes provenant de deux sources cohérentes son en phase ; l’amplitude de vibration résultante est maximale (frange brillante). Le déphasage : Δϕ =(2π Δt)/T =2kπ K Z Il y a interférence destructive : deux ondes sont en opposition de phase; l’amplitude de vibration résultante est minimale ou nulle (frange Sombre). Le déphasage : Δϕ=(2k+1)π Interférences constructives Interférences destructives 9 A.3. ordre d’interférences On appelle ordre d’interférences le nombre p sans dimension tel que : 𝛅 𝐩= 𝛌 : différence de marche entre deux sources (sources secondaires) : longueur d’onde de la source S. Frange brillante: Frange sombre: 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 2 𝐸1 + 𝐸2 𝐸1 − 𝐸2 2 = 𝑆01 + 𝑆02 = 𝑆01 − 𝑆02 2 2 10 Eclairement donne par : 11 A.4. Le contraste Le contraste est défini par : C=1 (E1=E2=E0) : C’est la meilleure situation pour observer les franges brillantes et les franges sombres. Exemples - Contraste élevé 12 - Contraste moyen - Contraste faible 13 A.5. Longueur de cohérence: Interférences Ici, les interférences se produisent car les deux parties du train d’ondes de départ se superposent. Pas d’Interférences Ici, les interférences ne se produisent pas car les deux parties du train d’ondes de départ ne se superposent plus. La différence de 14 marche est trop grande. B. Interférence par division du front d’onde Un dispositif interférométrique par division du front d’onde sépare le faisceau en deux faisceaux distincts. Après avoir parcouru des chemins différents, ces deux faisceaux se superposent donnant lieu à des interférences. 15 B.1. Trou d’Young B.1.1. Expérience d’Young S1 et S2 jouent le rôle de sources secondaires. 16 17 18 B.1.2. Calcul d’intensité Soit deux ondes: et La superposition de ces deux ondes au point M : L’intensité lumineuse ou l’éclairement enregistré par un récepteur est une moyenne : avec = 1 – 2 le déphasage entre les deux ondes en M. L’intensité peut également s’écrire : ou 19 L’avantage de cette expression est de mettre en évidence la différence entre les amplitudes des deux ondes. L’intensité I dépend des amplitudes A1 et A2 des deux ondes et le déphasage entre elles à leur arrivée au point M. L’intensité est maximale pour = 2mπ L’intensité est minimale pour = (2m+1)π m 20 B.1.3. Calcul du déphasage La différence de marche δ est : et 𝑆1 𝑀 1 𝑏 =𝐷 1+ 2 𝑥− 𝐷 2 2 1 𝑏 ≈𝐷+ 𝑥− 2𝐷 2 2 21 𝑆2 𝑀 1 𝑏 =𝐷 1+ 2 𝑥+ 𝐷 2 2 1 𝑏 ≈𝐷+ 𝑥+ 2𝐷 2 2 𝐧𝐛𝐱 La différence de marche s’écrit alors : 𝑆2 𝑀 − 𝑆1 𝑀 = 𝛅 = 𝐃 𝟐𝝅 𝟐𝝅 𝒏𝒃𝒙 𝝋= 𝜹= Le déphasage est alors : 𝝀 𝝀 𝑫 n: indice de réfraction du milieu, b=S1S2 et x=OM Connaissant le déphasage, l’intensité s’exprime en fonction de la position du point M par : étant proportionnel à x, l’intensité en fonction de x aura la même forme la variation de I en fonction de 22 B.1.4. Franges d’interférence C’est la distance entre deux franges brillantes (ou sombres) successives,. Les interfranges sont équidistantes. 𝐢 = 𝐱 𝐦+𝟏 − 𝐱 𝐦 I(M) est maximale si: 𝜆𝐷 𝜆𝐷 𝒊= 𝑚+1 − 𝑚 𝑛𝑏 𝑛𝑏 l’interfrange est constante, indépendante de x (m est un entier) 𝛌𝐃 𝐱𝐦 = 𝐦 𝐧𝐛 𝛌𝐃 𝒊= 𝐧𝐛 En générale: 𝛌𝐃 𝒊= 𝐒𝟏 𝐒 𝟐 (n=1) 23 La frange centrale : Pour le dispositif d’Young la frange centrale est brillante. Elle est définie par = 0. L’expression de l’interfrange montre que l’aspect de L’écran change : si b augmente, i diminue; i augmente avec λ et aussi augmente avec D. contraste ou fonction de visibilité 𝐈𝐦𝐚𝐱 − 𝐈𝐦𝐢𝐧 𝟐𝐀𝟏 𝐀𝟐 𝐂=𝐕= = 𝟐 ; 𝑉 ∈ 0, 1 𝟐 𝐈𝐦𝐚𝐱 + 𝐈𝐦𝐢𝐧 𝐀𝟏 + 𝐀𝟐 V est max (=1) lorsque les ondes qui interfèrent sont cohérentes et ont même amplitude (A1=A2). Il est nul lorsque les ondes sont non cohérentes. 24 B.2. Miroir de Lloyd . Une source ponctuelle S est placé très près du prolongement du miroir (au voisinage de l'incidence x rasante). L2 S Q1 et Q2 Q1L1 et Q2L2 L1 P S' Q1 Miroir Q2 Ecran Le champ d’interférence est l’espace limité par le miroir et les rayons Q1L2 et Q2L1 qui se réfléchissent sur ses bords. Tout rayon issu de S et qui se réfléchi sur le miroir semble provenir de S’. S’ est le symétrique de S par rapport au miroir plan. 25 Au point A de l’écran : Interférence entre l’onde directe (SA = r1) et l’onde qui se réfléchi sur le miroir au point J (SJ + JA= r2 ) x S Le rayon réfléchi JA P semble provenir de S'. S' J Q1 A O Miroir Q2 Ecran SJ S'J SJ JA S'J JA S'A ; r2 S'A L’onde qui a subi une réflexion sur le miroir (issue de S’) a été déphasé de alors le déphasage est : 𝛗 𝐀 = (𝛗𝟐 𝐀 + 𝛑) − 𝛗𝟏 (𝐀)= 𝟐𝝅 𝝀 𝒓𝟐 − 𝒓𝟏 + 𝝅 Donc en un point A de l’écran la différence de marche s’écrit : 𝛌 𝛅 𝐀 = 𝛗(𝐀) 𝟐𝛑 δ(A) (r2 r1) λ/2 (r2 λ/2) r1 26 Posons : SS' 2a ; PO D ; OA x ; SA r1 ; S'A r2 et n=1 L’étude du dispositif de Lloyd se ramène à celle de deux sources S et S' distantes de 2 a : SP = S’P=a 𝟐𝐚𝐱 Même calcule on trouve que: 𝑆′𝐴 − 𝑆𝐴 = 𝛅 = 𝐃 δ = ( r2 + λ ) r1 δ 2ax + λ D 2 2 Système à frange centrale sombre (pour x=0; =/2) Franges brillantes: Franges sombres : δ m λ 2 a xm λ x m (m-1/2) λD D 2 2a δ (m 1 ) λ 2 L’interfrange: 𝜆𝐷 1 𝜆𝐷 1 𝒊= 𝑚+ − (𝑚 − ) 2𝑎 2 2𝑎 2 2 a xm+1/2 λ xm+1/2 m λD D 2 2a 𝛌𝐃 𝒊= 𝟐𝐚 27 B.3. Miroirs de Fresnel. deux miroirs plans M1 et M2 faisant entre eux un petit angle . La lumière émise par une source ponctuelle S se réfléchi sur M1 et M2. Le faisceau de lumière qui se réfléchi sur M1 semble provenir de S1 Et sur M2 semble provenir de S2 S1 image de S/M1 SJ S1J S2 image de S/M2 SK S2K 28 r1 SJ JA S1A ; r2 SK KA S2A La réflexion sur chaque miroir introduit S π ou bien δS λ 2 différence de marche au point A : δ (r2 λ/2) (r1 λ/2) r2 r1 𝟐𝐚𝐱 𝑆2 𝐴 − 𝑆1 𝐴 = 𝛅 = 𝐃 Système à frange centrale brillante Les images S1 et S2 jouent le rôle de trous d’Young. 𝛌𝐃 𝛌𝐃 𝒊= = 𝐒𝟏 𝐒𝟐 𝐛 29 B.4. Bilentille de Billet. Une lentille mince de centre optique C est scie en deux . Les demi-lentilles ainsi obtenues, de centres optique C1 et C2, donnent, deux images réelles distinctes S1 et S2 d’une source S. S1 et S2 se comportent comme deux trous d’Young 30 B.5. Biprisme de Fresnel. Deux prismes accolés par leurs bases et éclairés par une source S. L’angle  est très petit Déviation: =n(r+r’) -A Position approximative de S1 et S2: rencontre du prolongement des rayons réfractes et la qui passe par S L’interfrange: avec S1 et S2 se comportent comme deux trous d’Young Pour tous ces dispositifs la source est supposée ponctuelle, les franges obtenues 31 sont dites non localisées. C. Interférence par division d’Amplitude C.1. Lame à face parallèle Une lame à faces parallèles d’épaisseur e est d’indice n permet de dédoubler un rayon lumineux réfléchi ou transmis. Une partie de l’amplitude incidente est réfléchie, alors que l’autre est transmise. C.1.1. Coefficients de FRESNEL Coefficients de réflexion en champ Coefficients de transmission en champ 32 Le coefficient de réflexion en amplitude ou en champ est négatif : Le coefficient de réflexion en amplitude ou en champ est positif : Dans tous les cas le coefficient de transmission est positif Remarque : ces expressions ne sont valables en toute rigueur qu’en incidence normale. 33 C.1.2. Coefficients de réflexion et transmission en intensité Réflexion en intensité : -Transmission en intensité : Relation entre la réflexion et la transmission en intensité : Remarques: 1) La réflexion s’accompagne d’une différence de marche de –0/2 2) 34 C.1.3. Présentation de l’interféromètre Lame constituée d’un matériau homogène et transparent d’indice n, dont les deux faces sont planes et parallèles Au point I : et Au point J: Au point K : Les rayons de la voie 1 et de la voie 2 sont donc parallèles et se coupent à l’infini, on dit que les interférences sont localisées à l’infini. 35 C.1.4. Calcul de la différence de marche Le faisceau incident est séparé au point I et se recombine à l'infini. La différence de marche est la différence de chemin optique entre I et l'infini selon que l'onde a pris la voie 1 ou la voie 2. On note cela abusivement : Les points L et K appartiennent au même plan d'onde et donc au même plan équiphase. A partir de ces points la propagation s'effectuant dans l'air pour les deux voies, on a : Ce qui s'écrit en tenant compte du déphasage supplémentaire dû à la réflexion au niveau du dioptre air/verre sur la voie 1 : 36 Chemin optique : Chemin optique : Finalement: 37 Figure d’interférence Rappel : coefficients de réflexion et transmission au niveau d’une interface air/verre ou verre/air : R=0.04 et T=0.96 Intensité sur la voie 1 (1 réflexion) : I1=0.04Iinc Intensité sur la voie 2 (1 réflexion et 2 transmissions) : I2=0.96*0.04*0.96 Iinc=0.037 Iinc0.04 Iinc Les deux voies de l’interféromètre sont équilibrées : I1=I2=I0 Approximation de GAUSS : 38 Ainsi: Ordre d’interférence : Ordre au centre (incidence normale) : Relation entre i, p et p0: i: angle incidence 39 -Première frange claire : p = K d’où -Seconde frange claire : p = K-1 d’où - Troisième frange claire : p = K-2 d’où - m ème frange : p = K-m+1 d’où On obtient d'autant plus de franges que K est grand. C'est à dire que le nombre de franges dépend directement de l'épaisseur e de la lame. Le système possède une symétrie de révolution autour de la normale à la lame : on obtient des anneaux d'égale inclinaison localisés à l'infini. Ces anneaux étant localisés à l'infini ils sont caractérisés par leur diamètre angulaire. On peut les observer de deux manières : -A l‘œil sans accommoder - Dans le plan focal d'une lentille, par projection. 40 Observation des anneaux d’égale inclinaison Dans le plan focal d’une lentille (L) Rayon des anneaux : 41 Observation des anneaux : 42 C.2. Lame coin La lame de coin est une lame de verre ou d’air dont les deux dioptres forment un angle α. C.2.1. coin de verre ou lame prismatique C’est une lame d’indice n, d’épaisseur variable, ayant la forme d’un coin d’angle α petit placé dans l’air et éclairée sous une incidence presque normale (voir figure ci-contre) 43 Considérons un rayon issu de la source S. Une partie (4%) est réfléchie ce qui constitue la voie 1. Le reste est réfracté et se réfléchi sur la face intérieure. Ce rayon est ensuite réfracté ce qui constitue la voie 2. Calcul de la différence de marche Comme la couche d’air est très mince, on peut considérer IJJKe(x) , avec e est l’épaisseur du coin de verre au point en question. 44 𝜆 𝜆 𝜆 𝛅 = 𝐼𝐽 + 𝐽𝐾 + = 𝛿𝐺𝑒𝑜 + == 2𝑛𝑒 + 2 2 2 𝛌 ⟹ 𝛅 = 𝟐𝐧𝛂𝐱 + 𝟐 Remarques: L’angle α et l’angle d’incidence i étant faibles, tout se passe comme si «localement » on avait une lame parallèle d’épaisseur e(x) :on remplace cosr=1 et e=αx. /2: Le résultat de déphasage supplémentaire dû à la réflexion au niveau du dioptre air/verre sur la voie 1 (au point I): 2𝜋 𝜆 𝜑=𝜋= 𝜆 𝛿𝑅 ⟹ 𝛿𝑅 = 2 𝝀 ⟹ 𝜹 = 𝜹𝒈𝒆𝒐 + 𝜹𝑹 = 𝜹𝒈𝒆𝒐 + 𝟐 45 𝛌 𝛅 = 𝐦𝛌 = 𝟐𝐧𝛂𝐱𝐦 + 𝟐 𝝀 𝟏 ⟹ 𝒙𝒎 = 𝒎− 𝟐𝒏𝜶 𝟐 Franges brillantes: Franges sombres: 𝟏 𝛌 𝛅 = 𝐦 + 𝛌 = 𝟐𝐧𝛂𝐱𝐦 + ⟹ 𝒙𝒎 𝟐 𝟐 𝝀 = 𝒎 𝟐𝒏𝜶 Interfrange i: 𝝀 𝐢 = 𝐱 𝐦+𝟏 − 𝒙𝒎 = 𝟐𝒏𝜶 46 C.2.2. coin d’air Une couche en forme de coin est formée par deux plaques en verre sont posées l’une sur l’autre de façon qu’elles se touchent d’un côté et qu’elles soient séparées par un objet mince sur le côté opposé (ou vide). Les deux plaques en verre créent alors un coin d’air entre elles (voir figure ci-dessous). 47 Calcul de la différence de marche Réflexion sur I (verreair:R=0) et réflexion sur J (air-verre: R=/2) donnent pour la différence de marche en M : δ(M) = (IJ + JM + λ/ 2) - IM La couche d’air est mince et le rayon incidence presque normal donc IMKM et IJJKe 𝛌 𝛌 𝛅 = 𝟐𝐞 + = 𝟐𝛂𝐱 + 𝟐 𝟐 48 𝛌 𝝀 𝟏 Franges brillantes: 𝛅 = 𝐦𝛌 = 𝟐𝛂𝐱𝐦 + ⟹ 𝒙𝒎 = 𝒎− 𝟐 𝟐𝜶 𝟐 Franges sombres: 𝛅 = 𝐦 + 𝟏 𝛌 = 𝟐𝛂𝐱𝐦 + 𝛌 ⟹ 𝒙𝒎 = 𝝀 𝒎 𝟐 Interfrange i: 𝟐 𝟐𝜶 𝝀 𝐢 = 𝐱 𝐦+𝟏 − 𝒙𝒎 = 𝟐𝜶 Conclusion cosr =1 Lame parallèle 𝛌 Différence 𝟐𝐧𝐞𝐜𝐨𝐬𝐫 + de marche : 𝟐 n=1 Coin de verre 𝛌 𝟐𝐧𝐞 + 𝟐 Coin d’air 𝛌 𝟐𝐞 + 𝟐 49 coin d’air: cas de deux rayons incidents. Comme la couche d’air est très mince, on peut considérer AB BCe , si e est l’épaisseur du coin d’air au point en 50 question. Différence de marche: Observation par réflexion Comme au point B la lumière est réfléchie par un milieu plus réfringent, il faut ajouter à la différence de marche un terme λ/2 (changement de phase de 180°). On obtient pour la différence de marche optique totale : 𝜆 𝜆 𝜆 𝝀 𝛅𝐨𝐩𝐭 = 𝛿𝐺𝑒𝑜 ± = 𝐴𝐵 + 𝐵𝐶 ± = 2𝑛𝐿 𝑒 ± = 𝟐𝒆 ± 2 2 2 𝟐 Interférence constructive par réflexion : δopt 𝜆 𝟏 𝛌 = 𝑘𝜆 = 2𝑒 ± ⟹ 𝐞𝐤 = 𝐤 + avec k ∈ Z 2 𝟐 𝟐 Interférence destructive par réflexion: δopt 𝜆 𝛌 = 𝑘𝜆 + ⟹ 𝒆𝒌 = 𝐤 avec k ∈ Z 2 𝟐 51 La première frange sombre (interférence destructive avec k = 0) se trouve alors à l’arête du coin, si les interférences sont observées par réflexion. Observation par transmission La lumière transmise subit deux changements de phase parce qu’elle est réfléchie deux fois par un milieu plus réfringent (voir figure : points B et C). Il s’ensuit pour la différence de marche optique : 𝛅𝐨𝐩𝐭 𝜆 𝜆 = 2𝑒 ± ± = 𝟐𝒆 ± 𝜆 = 𝟐𝒆 2 2 Un changement de phase de λ n’a pas d’influence sur les conditions d’interférence. Interférence constructive par transmission : 𝛌 𝐞𝐤 = 𝐤 𝟐 Dans une observation par transmission, la première frange claire se trouve à l’arête du coin. 52 Interférence destructive par transmission : 𝟏 𝛌 𝐞𝐤 = 𝐤 + 𝟐 𝟐 Interfrange i: tgα=e/xα 𝛌 𝐞𝐤 = 𝛂𝐱 𝐤 ⟹ 𝐱 𝐤 = 𝒌 ⟹ 𝑖 = 𝑥𝑘+1 − 𝑥𝑘 𝟐𝛂 𝛌 ⟹𝒊= 𝟐𝛂 53 C.3. Dispositif de Newton Il s’agit d’une lentille sphérique de très grand rayon de courbure (une dizaine de mètres …) donc quasi-plate, déposée sur une lame de verre à faces parallèles. L’espace entre ces deux objets crée une lame d’air d’épaisseur très fine. 54 Différence de marche: =(AI)+(IM)-(AM)+/2 =(AI)+(IJ)+(JM) -(AM)+/2 (AI)(IJ)e et (AM)(JM) Alors =2 e + /2 /2 du au réflexion air/verre au point I On a : 𝑅2 = 𝑥 2 + 𝑅 − 𝑒 2 ⟹ 𝑥 2 = 𝑒 2𝑅 − 𝑒 ≈ 2𝑅𝑒 𝟐 𝒙 𝝀 ⟹𝜹= + 𝑹 𝟐 Les franges brillantes d’ordre m correspondent à δ= mλ : 𝐱𝐦 = 𝟏 𝐦− 𝐑𝛌 𝟐 55 Les franges brillantes d’ordre m correspondent à δ= mλ : 𝐱𝐦 = 𝐦𝐑𝛌 Donc les anneaux de Newton formé est à centre noir. Remarque: On peut garnir l’espace d’épaisseur e par un milieu transparent autre que l’air: les résultat sont les mêmes, on conserve seulement n dans l’expression de 𝜹= 𝒏𝒙𝟐 𝑹 𝝀 + 𝜺 : 𝜀 𝑑é𝑝𝑒𝑛𝑑 𝑑𝑢 nombre de réflexions vitreuses). 𝟐 Exemple : Si on effectua deux réflexions de mêmes nature, on ne doit pas ajouter /2 ( =0) et l’ensemble des anneaux est alors à centre lumineux. 56 Exemples de calculs. Exemple : anneau de Newton. On observe en réflexion les interférences produites en éclairant en incidence normale un dispositif d’anneaux de newton. Le rayon de courbure de la face sphérique est de 1m. L’indice de l’air est égal à 1. Il y a contact entre la lame plane et la lentille. La longueur d’onde est =546 nm. Calculer les rayons des trois premiers anneaux brillants. Solution : Les franges brillantes d’ordre m correspondent à 𝐱 = 𝐦 δ= mλ : 𝟏 𝐦− 𝐑𝛌 𝟐 le rayon de l’anneau 1 est : le rayon de l’anneau 2 est : le rayon de l’anneau 3 est : 57 Franges d'égale épaisseur (franges de Fizeau) et franges d'égale inclinaison (franges d'Haidinger) Dans le cas des lames à faces parallèles où l'épaisseur est fixée, la différence de marche (donc l'intensité lumineuse) dépend de l'inclinaison des rayons. On parle de franges d'égale inclinaison dite d'Haidinger. Au contraire, dans des dispositifs tels que le coin d'air ou les anneaux de Newton, la différence de marche (donc l'intensité lumineuse) dépend de l'épaisseur (l'inclinaison des rayons est fixée). On a affaire à des franges d'égale épaisseur dite de Fizeau. 58