Strioscope et striographe interférentiels. Forme interférentielle

Strioscope et striographe interférentiels. Forme
interférentielle de la méthode optique des stries
G. Sagnac
To cite this version:
G. Sagnac.
Strioscope et striographe interférentiels.
Forme interférentielle de la
méthode optique des stries.
J. Phys.
Theor.
Appl., 1913, 3 (1), pp.81-89.
<10.1051/jphystap:01913003008100>. <jpa-00241869>
HAL Id: jpa-00241869
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00241869
Submitted on 1 Jan 1913
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81
STRIOSCOPE ET STRIOGRAPHE INTERFÉRENTIELS. 2014 FORME INTERFÉRENTIELLE
DE LA
MÉTHODE OPTIQUE
DES
Par M. G. SAGNAC
STRIES;
(1).
1. Introduction. Méthodes de Foucault et de Tôpler.
Une méthode de Foucault (2) rend directement visibles, lumineuses sur un
fond noir, les régions d’un miroir ou d’un objectif qu’il convient de
retoucher pour diminuer les aberrations (3).
Le dispositif st1"£OScop£que comprend : une ouverture AB
1),
bien délimitée et fortement éclairée : un système optique 0 aplanétique et achromatique (de préférence un miroir concave), qui forme
une bonne image de AB en A’B’ ; un petit écran opaque A’B’ réglé
de manière à intercepter tout juste l’image A’B’ sans la déborder,
(position sensible) ; un écran de projection E conjugué du plaR S où
se produisent les troubles optiques à étudier. La lumière déviée par
le trouble optique S passe en partie à côté de l’écran (4) A’B’ et vient
former une strie brillante S‘, image du trouble optique S, sur le fond
noir de l’écran E. L’appareil est un sirioscope à projection.
En remplaçant l’écran de projection E par une lunette-viseur ou
un appareil photographique au point sur S, on peut observer les
stries brillantes sur fond noir (strioscope à viseur), ou bien les pho-
tographies
Si,
au lieu de mettre le viseur
au
point en
S
en
deçà du système 0,
,
Travail résumé dans les Comptes Rendus de l’Acccd. d. Sc. du 10 juillet 1911,
CLIII, p. 901, présenté à la Société française de Physique dans la séance du
juin 1912.
(2) On peut lire dans un ouvrage de Huygens la description de la méthode de
Foucault dans ce qu’elle a d’essentiel [Raveau, J. de l’hys., 41 série, t. 1 (1902),
(1)
t.
p.115J.
(3) FOUCAULT, Recueil des
scientifique, Paris, 1818, p. 234.
Tôpler,
puis Dvorak ont généralisé la méthode et l’ont appliquée aux troubles d’homogénéité de l’air ou d’un fluide quelconque qu’ils ont rendus visibles sous forme
de stries brillant sur un fond noir (SchlieJ’enmethode ou méthode des stries).
E. Mac, L. Mach,
ont fait de belles applications de cette
Tanakadate,
méthode des stries (Voir la bibliographie dans mon mémoire : Le Radium,
t. YI1Ï, p. 24I, I9lt).
(4) Ordinairement on utilise un seul bord A’ de l’écran opaque qui déborde
alors B’ et y imtercepte la lumière déviée par les troubles optiques ; l’image des
stries n’utilise ainsi que la lumière déviée près d’un seul bord A’ ; mais il est plus
facile de régler la position sensible du bord unique A’.
-
...
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01913003008100
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le met au point sur le système 0, lentille ou miroir, on observe,
par la méthode de Foucault, les régions de cette lentille ou de ce
miroir qui sont les sources des aberrations et demandent une retouche ; l’appareil devient un aberroscope. En remplaçant le viseur
par un appareil photographique, on a un aberrographe; les défauts
intérieurs des lentilles ont été photographiés avec un dispositif de ce
r. Wiss. Photographie (1899), p. 332].
genre [A. Gerschoun,
Un objet diffringent comme un pinceau de poils, un bord d’écran,
un nuage de poussière, apparaît par le même mécanisme qu’un filet
d’air chaud en déviant la lumière de part et d’autre de l’écran strioscopique
qui intercepte la lumière directe (G. Lippmann, Leçon
on
d’Acoustique
Paris, Hermann,
et
p.
183-185).
FIG.1.
Il me paraît intéressant de remplacer le .sysun
0
petit objectif de quelques centimètres seuleoptique par
ment de distance focale monté sur un microscope. Le microstrioscope ainsi réalisé permettra d’étudier des stries dont les détails
échappent par leurs petites dimensions à la méthode ordinaire. Il
permettra, avec les plus faibles objectifs du microscope, de rejoindre
les dispositifs ultra-microscopiques qui utilisent, comme on sait, la
réflexion totale p our écarter la lumière directe tout en laissant pénétrer dans l’instrument la lumière de diffraction des particules étudiées ; dans le corps du microscope sera placé l’écran opaque destiné
à recouvrir exactement l’image A’B’ de l’ouverture éclairante AB.
Pour donner au dispositif toute la sensibilité possible, on remplacera l’ouverture éclairante AB par une série de fentes parallèles et
é quidistantes, convenablementrapprochées : un réseau de diffraction
de 1/100 de millimètre d’intervalle fondamental tel qu’un réseau sur
verre à intervalles parfaitement opaques associé à un objectif peu
puissant, conviendra sans doute; placé un peu plus loin de l’objectif que les stries étudiées, il fournira avant l’oculaire une bonne image
qui remplacera l’image A’B’ de la fig. i . Un second réseau géométri-
Mierostrioscope.
tème
-
83
quement semblable au complémentaire du premier sera disposé sur
cette image et servira d’écran opaque. En orientant parallèlement les
deux réseaux et choisissant convenablement la position du premier,
on parviendra à faire couvrir les bandes brillantes de l’image
du premier par les intervalles opaques du second, de manière à réaliser un fond noir sensible : une petite strie apparaîtra brillante sur
le fond noir en déviant la lumière qui la traverse de manière à
déplacer ou déformer l’image des traits du premier réseau d’une
fraction de l’intervalle fondamental du second.
Soit un dispositif
2. Principe de la strioscopie interférentielle.
interférentiel à faisceaux plus ou moins séparés produisant des interférences à centre noir. Réglons le système interférentiel de manière à élargir la frange centrale noire ; supposons qu’on puisse
obtenir ainsi une frange extrêmement large, un champ d’interférence uniformément sombre. Maintenant produisons des troubles
optiques sur le trajet des faisceaux ou d’un seul des faisceaux, de
manière à altérer les conditions exactes de l’interférence ; en particulier l’opposition des phases des deux vibrations interférentes ne
subsiste plus sur une image de la région troublée ; la lumière y reparaît alors, formant des stries brillantes sur le fond noir interférentiel. On constituera donc un strioscope en associant un dispositif
interférentiel à champ uniformément sombre et un viseur mis au
point sur les troubles optiques dont on veut observer ou photogra-
phier l’image.
Pour que le champ interférentiel soit obscur, il faut d’abord que
les vibrations interférentes aient des phases opposées, et cette opposition de phase doit être réalisée pour toutes les radiations, si l’on
veut pouvoir opérer en lumière complexe. Cette opposition
tique des phases sera rigoureuse1nent réalisée (§ 5).
Il faut ensuite que les amplitudes des deux vibrations interférentes
soient égales. Cettecondition sera réalisée ach>.oiaiatiqie>nent cl’une
1’nan£ère approchée (~ 6).
On peut regarder le
champ sombre de la méthode de Tôpler
d interférence : l’ombre adjacente à
sombre
champ
l’interférence
des diverses vibrations lumide
A’B’
résulte
l’image
neuses élémentaires d’Huj,gens-Fresnel, issues des divers éléments
de surface libre du système optique 0 ; si cette ouverture libre se
trouve rétrécie de plus en plus, l’image A’B-’ s’étale de part et d’autre
comme
un
84
de l’écran opaque et le champ obscur primitif s’éclaire de plus en
l’interférence des vibrations élémentaires d’Huygens-Fresnel
y devient de moins en moins complète; les bords de l’image A’B’,
élargis par la diffraction, sont en même temps de moins en moins
bien définis et de plus en plus difficiles à délimiter et à couvrir tout
juste par un écran opaque.
.
plus ;
_
STRIOSCOPE ET STRIOGRAPHE
A CIRCUIT
INTERFÉRENTIELS
-
OPTIQUE QUADRANGULAIRE.
3. Dispositif optique. - C’est, en principe, celui de l’interféromètre
à faisceaux inverses que j’ai déjà décrit (C. R., t. 1~0 ; 1910, p. 1676),
plus. La fi g. 2 représente à l’échelle d e ~ celui
que j’ai réalisé, deux prismes de verre P,, P 2 sont rapprochés par leurs
bases interférentiellement planes et forment un paral lélipipéd e coupé
en diagonale par la lame d’air 11’ à faces parallèles. Au sortir d’un
mais
.
,
avec un
miroir de
collimateur C, la lumière se divise sur la lame d’air Il’ en vibrations
transmises (amplitude relative T) et vibrations réfléchies (amplitude R), qui se propagent en sens inverse le long d’un même circuit
plan, renfermant trois miroirs plans m, M, m’. L’objectif L d’un
appareil photographique (striographe, fig. 2) ou d’une lunette-viseur
(strioscopie) reçoit à la fois les vibrations T une seconde fois tran smises par la lame d’air (amplitude T2) et les vibrations R une seconde
fois réfléchies par la même lame le (amplitude R2).
Un polariseur (non figuré) définit une vibration de Fresnel perpendiculaire au plan du circuit (premier azimut de polarisation), ou
bien parallèle au plan du circuit (deuxième azimut). Dans l’un ou
l’autre de ces deux cas, l’appareil sera réglé de manière à obtenir
l’égalité des amplitudes T2 et R2 des deux vibrations interférentes, du moins au voisinage d’une certaine radiation de longueur
d’onde /Bs.
Une propriété remarquable de ce dispositif est que, par suite de
il y a opposition rigoureuse
la transparence parfaite de la lame
des phases des vibrations ’f2 et R2, lorsque les deux faisceaux interférents sont exactement superposés tout le long du circuit
qu’ils parcourent en sens opposés. Une démonstration très simple
de ce résultat sera donnée plus loin (~ 5).
85
Dans ces conditions, en lumière monochromatique
la frange
centrale est élargie indéfiniment ; le champ d’interférence est uniformément obscur. En lumière blanche, il est, en principe, coloré, mais
pratiquement très sombre et d’autant plus sombre que l’égalité des
amplitudes T2 et R2 est réalisée d’une manière plus achroma-
,
FIG. 2.
tique (§ 6); l’opposition des phases vibratoires subsiste pour toutes
les longueurs d’onde et pour toute élroaisseur de la lame d’air Il’.
Les miroirs m, M, m’ qui, avec le double prisme P~, P2 définissent
la superposition géoméle circuit optique, étant en nombre
montre
trique des faisceaux T et R n’est qu’apparente : la
qu’ils sont retournés l’un par rapport à l’antre; le côté de T intérieur
au circuit correspond au côté de R extérieur au circuit, et inversement. Si l’on couvre alors par un écran AB ( fig. 2) une moitié du
~
faisceau issu de C, les demi-faisceaux interférents respectés par
l’écran restent superposés en T2 et R‘-’ à la sortie du double prisme ;
86
ils sont exactement séparés et
du circuit quand l’autre est
le
intérieur
côté
juxtaposés ;
sur le côté extérieur; l’échange des positions des demi-faisceaux se
fait après chacune des réflexions sur 1n, W ou
Le dispositif interférentiel fournit ainsi deux faisceaux juxtaposés
inverses T et R, et le champ interférentiel est sombre.
En même temps on voit que l’écran AB reçoit une lumière d’autocollimation due à la superposition des vibrations réfléchies au retour
par la lame d’air Zl’ (amplitude TR) et des vibrations R transmises
au retour par 1t’ (amplitude RT). En remplaçant l’écran AB par un
miroir incliné ou un prisme à réflexion totale, on peut recueillir latéralement cette lumière d’autocollimation dans une seconde chambre
photographique ou dans un second viseur ; le polariseur est alors
inutile, les vibrations TR et RT ont même phase et le champ est
uniformément brillant.
mais, dans le circuit optique
l’un est
sur
Les
Aspect des stries et des corps opaques ou transparents.
troubles optiques étudiés et les objets opaques qui les produisent,
par exemple un petit jet de gaz et le bec g d’où il s’échappe, sont
sur le trajet de l’un T des deux demi-faisceaux
2). La lunette4.
-
ou l’appareil photographique, est au point sur y à travers le
double prisme.
Un corps opaque, tel que le métal du bec g, arrête l’un des deux
faisceaux interférents (T dans la fig. 2). Sur le fond noir, dans le
viseur ou dans la chambre photographique, la projection du corps
opaque g apparaît uniformément éclairée par les vibrations R que le
corps opaque a libérées en interceptant en les vibrations antagonistes T.
Une large lame de verre à faces parallèles placée sur un seul T des
deux faisceaux fait reparaître la lumière sur toute son image. Un
large jet de gaz d’éclairage, s’échappant d’une fente (1. mm,5 d’épaisseur) orientée perpendiculairement à la lumière du faisceau T, fournit une image strioscopique claire, uniforme près de la fente ; à chaque
bord, un filet lumineux s’ajoute à l’image large dont une bande obscure le sépare.
Un jet étroit de gaz d’éclairage produit, en général, deux filets
lumineux correspondant à ses deux bords. La moindre bulle de gaz
d’éclairage apparaissant à l’ouverture d’un petit bec produit une
sorte de goutte lumineuse.
viseur,
87
Les moindres filets d’air chaud qui s’élèvent autour des doigts de
la main fournissent des stries lumineuses très brillantes et constituent une action beaucoup trop forte pour donner une idée de la sensibilité de la méthode.
La lumière apparaît sur le fond sombre quand on agite l’air dans
le voisinage ou quand on fait tourner rapidement une petite hélice li
(fig. 2) de 2 ou 3 centimètres de diamètre, placée sur l’un des faisceaux ; un seul tour d’hélice fait en moins d’une seconde, suffit pou r
faire apparaître une lueur sur le verre dépoli de la chambre photographique. Les deux faisceaux étant juxtaposés, l’influence perturbatrice des courants d’air généraux et de l’inégale distribution des
températures se trouve heureusement très réduite.
La lumière cl’autocollinialio>i C fournit des stries complémentaires
de celles de la lumière directe L. Par exemple, l’air chaud de la main,
au lieu de stries brillantes sur fond sombre, produit sur le fond lumineux d’autocollimation des stries sombres semblables à des filets
de tumée. Presque toute la lumière incidente est alors soustraite au
champ d’autocollimation sur l’image sombre des stries et se concentre sur l’image brillante donnée par l’objectif L.
L’observation par autocollimation C a l’intérêt de n’exiger ni la
polarisation de la lumière incidente, ni le réglage d’une épaisseu r
bien déterminée de la lame d’air du double prisme, ni le réglage
d’une incidence particulière (voir § 8).
D’un autre côté, la sensibilité aux faibles défauts d’homogénéité
est bien plus grande en L qu’en C ; une image lumineuse se détache
déjà sur le fond sombre L quand l’image complémentaire C ne produit qu’une diminution inappréciable de l’éclat du champ lumineux
d’autocollimation.
Quand le réglage de superposition des faisceaux T et R est insuffisant, le champ I~ présente des plages inégalement sombres. Il arrive
alors souvent qu’une strie qui se détache en clair sur les parties les
plus sombres du champ se continue par une strie sombre sur une
partie plus claire.
Quand on enlève l’écran AB
2) et que l’objectif L reçoit le
faisceau (T‘-’, R’) entier (deux fois plus large que le faisceau hachuré
de la /~. 2), on peut mettre au point soit l’image des stries due au
faisceau T, soit l’image due au faisceau inverse R, puisque maintenant les deux faisceaux entiers T et R se recouvrent. Si les stries
sont produites au milieu du contour du circuit, il y a une seule mise
88
point, et l’on peut observer ou photographier simultanément deux
images égales symétriques l’une de l’autre.
au
des phases dans la lunette. - Si les faisT et R du circuit sont exactement superposés, les vibrations
lumineuses TR et RT, superposées par autocollimation, ne présentent
aucune différence de marche. Il n’y a pas non plus de différence de
phase due à la lame d’air uniforme ZZ’, les deux vibrations TR et RT
y ayant subi chacune une même transmission et une même réflexion.
L’amplitude vibratoire d’autocollimation est donc :
5.
Opposition rigoureuse
ceaux
l’intensité est :
Le faisceau d’autocollimation fournit ainsi un champ uniformément
éclairé par deux vibrations de même amplitude TR et de même
phase.
Puisque la lame
d’air 11’ est parfaitement transparente, le champ
sombre de la lunette (ou de l’appareil photographique) présente une
intensité L2 exactement complémentaire de C2 :
Or, les intensités T2 et lB2 des vibrations T et R qu’a séparées la
lame d’air transparente sont exactement complémentaires :
.
On
peut donc écrire la valeur de L20
sous
la forme :
R2), différence des amdonc que les phases de ces
deux vibrations sont exactement opposées comme on l’avait annoncé .
Cette opposition rigoureuse des phases ne subsiste pas si l’on
remplace la lame d’air 11’ par une argenture transparente déposée
sur l’une des faces d’une glace de verre : l’argenture introduit une
nouvelle différence de phase entre la vibration T2 deux fois transl’amplitude correspondante L, est (T2
plitudes des vibrations interférentes; c’est
et
-
89
mise et la vibration RR’ réfléchie successivement sur les deux faces
de l’argenture. Une étude spéciale (~) m’a montré que les phases de
T2 et RR’ s’accordent ordinairement à
10
de
période près
pour les di-
radiations ; le champ d’interférence dans la lunette est alors
uniformément brillant. Il en est de même du champ d’autocollimation
où l’accord de phase est forcément rigoureux. Il n’est donc pas possible, avec une glace argentée semi-transparente, d’obtenir directement le champ interférentiel sombre que produit le double prisme
à lame d’air.
verses
(A suivre. )
.
SUR LA DISSIPATION DE
Par M. L.
L’ÉNERGIE ;
DÉCOMBE.
De tous les phénomènes qui sollicitent l’attention des physiciens,
il n’en est pas qui puisse être considéré comme révélant une loi plus
fondamentale de la nature que celui connu sous le nom de Dissi-
pation
de
l’Énergie.
Ce phénomène, qui consiste essentiellement, comme on le sait,
dans la production irréversible de chaleur aux dépens d’un travail
extérieur, est le compagnon inséparable de tous ceux qui conditionnent les transformations de l’énergie et, si l’on a pu envisager,
sous le nom de transformations réversibles, des modifications qui
n’en révéleraient pas la présence, il ne faut pas oublier que de telles
modifications, purement fictives, ne sont pas autre chose que des
cas limites dont la nature peut s’approcher quelquefois, mais qu’elle
ne réalise jamais dans leur plénitude. Même dépourvu de ce prestige particulier qu’exercent sur notre imagination tous les phénomènes auxquels, à tort ou à raison, nous attribuons une portée philosophique, la généralité de la dissipation de l’énergie suffirait à lui
valoir l’une des toutes premières places parmi ceux que nous consi-
dérons, à juste titre,
L a
question
(1) Co?nples
comme
de savoir si la
fondamentaux.
dissipat ion de
Rendus de l’Acad. d.
,~’c., 1912,
1.
l’énergie
CLIX, p. 1346.
est
susceptible