Optique

LD
Fiches d’expériences
de physique
Optique
Optique ondulatoire
Interféromètre de Michelson
P5.3.4.1
Montage d’un
interféromètre de Michelson
sur la plaque de base
pour optique laser
Objectifs
Montage d’un interféromètre de Michelson
Observation de l’échantillon d’interférence
Principe
rence qui permet de déterminer la variation de l’indice de
réfraction lorsque le chemin optique varie et vice-versa.
En maintenant constant l’indice de réfraction, il est donc
possible de calculer les différences de chemins optiques, par
exemple des variations de la longueur d’un matériau dues à la
chaleur ou à des champs électriques et magnétiques. Si, par
contre, le chemin optique est maintenu constant, on peut
déterminer les indices de réfraction ainsi que des grandeurs et
facteurs qui influent sur l’indice de réfraction, comme par
exemple: des variations de pression, de température ou de
densité.
L’interféromètre de Michelson convient à la mise en évidence
de l’influence des secousses mécaniques et des couches d’air
réfringentes en mouvement, entre autres, sur la plaque de base
pour optique laser. Dans le cas de la réalisation d’hologrammes, il peut permettre de reconnaître des perturbations
et de les éliminer.
L’interférométrie est une méthode de mesure très précise
utilisée pour la détermination de variations de longueurs, d’épaisseurs de couches, d’indices de réfraction et de longueurs
d’ondes. L’interféromètre de Michelson est un appareil à deux
faisceaux. Pour ce type d’interféromètre, les mesures sont
effectuées suivant le principe décrit ci-dessous:
0705-Wit
Le faisceau lumineux cohérent issu d’une source adéquate est
divisé en deux faisceaux partiels par un composant optique.
Ces derniers parcourent des trajectoires différentes, sont réfléchis sur eux-mêmes puis à nouveau réunis et superposés.
La superposition des longueurs d’ondes aboutit à une image
d’interférence. Si le chemin optique, c’est-à-dire le produit
entre l’indice de réfraction et le chemin géométrique, de l’un
des faisceaux varie, il apparaît un déphasage avec le second
faisceau. Il en résulte une modification de l’image d’interfé-
Fig. 1:
1
Photographie de l’échantillon d’interférence sur l’écran
translucide
LD Fiches d’expériences de Physique
P5.3.4.1
Montage et réalisation
Remarque: les composants optiques dont la surface est endommagée ou souillée peuvent provoquer des perturbations
au niveau de l’échantillon d’interférence.
Manipuler le miroir plan, la lame séparatrice et la lentille sphérique avec précautions, les tenir à l’abri de la poussière et ne
pas les prendre directement en main.
Matériel
1 plaque de base pour optique laser .
1 laser He- Ne à polarisation rectiligne
1 porte-laser . . . . . . . . . . . . . .
4 pieds pour optique . . . . . . . . .
1 lame séparatrice . . . . . . . . . .
1 porte-lame séparatrice . . . . . . .
2 miroirs plans à réglage précis . . .
1 lentille sphérique, f = 2,7 mm . . . .
1 écran translucide . . . . . . . . . .
.
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p. ex.
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1 socle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 règle en bois . . . . . . . . . . . . . . . .
473 40
471 840
473 41
473 42
473 432
473 43
473 46
473 47
441 53
La disposition de l’interféromètre de Michelson sur la plaque
de base pour optique laser est représentée sur la figure 2. Les
étapes suivantes sont nécessaires au montage:
Plaque de base et laser:
300 11
311 03
– Gonfler le matelas d’air isolant.
– Installer la plaque de base pour optique laser (a) et le
–
–
–
–
–
matelas d’air isolant horizontalement sur la table de démonstration stable.
Monter le laser sur le porte-laser et le placer au bord
gauche de la plaque de base.
Brancher le laser et l’allumer.
Desserrer les contre-écrous des trois vis réglables du
porte-laser.
Régler la hauteur et l’inclinaison du laser de sorte que le
faisceau passe horizontalement à environ 75 mm au-dessus de la plaque de base (il reste alors suffisamment de jeu
pour un réglage précis). Vérifier avec la règle en bois.
Resserrer les contre-écrous.
Lame séparatrice:
Les faisceaux réfléchi et transmis devraient être de même
intensité, dans la mesure du possible.
Lors de l’utilisation de la lame séparatrice variable (473 435),
faire en sorte que le faisceau laser la touche en son centre
(approximativement).
– En premier lieu, contrôler si la lame séparatrice (b) réfléchit
–
–
le faisceau laser horizontalement. Pour ce faire, placer la
lame sur pied pour optique, à l’autre extrémité de la plaque
de base, dans la trajectoire du faisceau, afin que ce dernier
soit réfléchi à côté de l’orifice du laser.
Si nécessaire, rectifier l’angle d’inclinaison de la lame séparatrice, donc la trajectoire du faisceau, à l’aide des deux
vis au niveau de la tige.
Ensuite, placer la lame séparatrice dans la trajectoire du
faisceau, suivant un angle de 458, comme le montre la
figure 2. La couche semi-translucide de la lame doit être
tournée face au laser.
Miroir plan:
Remarques:
Le réglage est facilité lorsque la pièce est légèrement sombre.
Des réflexions successives font apparaître, en plus des faisceaux principaux, des faisceaux parasites de plus faible intensité. Par la suite, ces faiceaux partiels sont arrêtés par le
porte-lentillle et ne jouent donc aucun rôle dans le réglage.
Consignes de sécurité
Le laser He- Ne répond à la norme de sécurité allemande
DIN 58126 (6ème partie) sur l’utilisation en cours de lasers
de classe 2. Si les consignes de sécurité mentionnées
dans le mode d’emploi sont respectées, les expériences
avec le laser He- Ne ne présentent aucun danger:
La qualité du faisceau laser est amoindrie si les faisceaux
partiels réfléchis par le miroir sont renvoyés dans l’orifice du
laser.
ne pas regarder directement le faisceau laser, ni le
faisceau réfléchi.
ne pas franchir les limites de sécurité, c’est-à-dire
qu’aucun observateur ne doit être ébloui.
– Placer le miroir plan (c) de sorte que le faisceau laser
atteigne son centre.
– Régler le miroir en tournant le pied pour optique sur la
plaque de base et à l’aide des vis à son dos, de telle
manière que le faisceau soit pratiquement réfléchi sur
lui-même et renvoyé légèrement au-dessus de l’orifice du
laser, après transmission par la lame séparatrice.
2
LD Fiches d’expériences de Physique
Fig. 2:
Montage de l’interféromètre de Michelson sur la plaque
de base pour optique laser. Vu de dessus
a
Plaque de base pour optique laser
b
Lame séparatrice
c, d Miroir plan à réglage précis
e
Lentille sphérique
f
Ecran translucide
– Fixer l’écran translucide (f) sur le socle et le placer derrière
–
–
–
la plaque de base, comme le montre la figure 2, afin que le
faisceau laser atteigne son centre.
Placer le miroir plan (d) dans la trajectoire du faisceau
réfléchi par la lame séparatrice (b), comme sur la figure 2.
Choisir la même distance par rapport à la lame séparatrice
que pour le miroir plan (c).
Positionner le miroir plan (d) en tournant le pied pour
optique sur la plaque de base et en réglant les vis à son
dos de sorte que le faisceau partiel soit aussi pratiquement
réfléchi sur lui-même et rencontre le second faisceau partiel, après transmission par la lame séparatrice.
Ajuster les miroirs (c) et (d) au moyen de leurs vis de réglage
afin que les faisceaux les plus intenses des deux groupes
de reflets se recouvrent sur l’écran.
Lentille sphérique:
– Pour élargir le faisceau laser, placer la lentille sphérique (e)
–
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– modifier légèrement la trajectoire du faisceau en ajustant
la lame séparatrice ou les miroirs. Réajuster la lentille, si
nécessaire.
La largeur et la distance entre les franges d’interférences sont
d’autant plus grandes que les faisceaux sont parallèles entre
la lame séparatrice et l’écran;
– régler le format en modifiant légèrement l’alignement de la
lame séparatrice et des miroirs de manière à pouvoir observer nettement.
Si le réglage n’est pas suffisant,
– recommencer l’ajustage de l’interféromètre.
L’échantillon d’interférence est beaucoup plus intense lorsque
la puissance de sortie du laser est d’1 mW. Il peut en résulter
une légère variation de la trajectoire du faisceau; aussi, la
position de la lentille sphérique doit-elle être réajustée, le cas
échéant.
(plus petite ouverture du porte-lentille tournée vers la lame
séparatrice) entre l’écran et la lame séparatrice.
Placer la lentille latéralement et en hauteur de sorte qu’elle
soit traversée axialement par les deux faisceaux partiels.
Réglage précis:
Exemple de mesure
Au cas où aucune frange d’interférence n’est encore visible sur
l’écran translucide:
La figure 1 de la couverture représente une photographie de
l’échantillon d’interférence sur l’écran translucide.
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