L`holographie - Emilie Cravero

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Rapport de TAI : Propagation de l’information
L’holographie
François Benjamin
Cravero Emilie
Bourhis Damien
L2 – Groupe B
Sommaire
Sommaire ................................................................................................................................................ 2
Introduction............................................................................................................................................. 1
1.
Concepts de base............................................................................................................................. 2
1.1.
Les interférences ..................................................................................................................... 2
1.2.. La diffraction................................................................................................................................ 3
1.3. Caractéristiques de la source de lumière ..................................................................................... 3
2.
Principe de l’holographie................................................................................................................. 5
2.1.
Principe général ....................................................................................................................... 5
2.2. Les différents types d’hologrammes ............................................................................................ 7
3.

Le dispositif originel de Gabor : ............................................................................................... 7

Les hologrammes à transmission (faisceau objet réfléchi) : ................................................... 8

Les hologrammes à réflexion :................................................................................................. 9
L’holographie dans l’informatique ................................................................................................ 11
Conclusion ............................................................................................................................................. 13
Bibliographie.......................................................................................................................................... 14
Livres :................................................................................................................................................ 14
Documents électroniques: ................................................................................................................ 14
Introduction
Le principe de base de l’holographie a été établi en 1947 par le physicien britannique Dennis Gabor,
qui reçu le prix Nobel de Physique en 1971 pour cette découverte.
Peu de gens sont réellement capables d’expliquer les phénomènes physiques qui
interviennent dans l’holographie : pour le physicien, un hologramme est un enregistrement
de l’interaction de deux rayons de lumières formant un schéma microscopique
d’interférences. Pour une personne bien informée, c’est un film photographique qui a été
exposée à un laser de manière à ce que, lorsqu’on l’éclaire à nouveau, on obtienne une
image en 3D. Pour une personne beaucoup moins bien informée c’est une sorte de
photographie en 3D.
Le seul point commun qui existe entre la photographie et l’holographie, c’est l’usage d’une
plaque photosensible ; alors que la photographie repose uniquement sur la luminosité de
l’objet, l’holographie repose elle sur les concepts de diffraction et d’interférences relatifs aux
phénomènes de propagation des ondes.
1
1. Concepts de base
Dans cette partie, nous allons présenter un certain de nombre de propriétés des ondes qu’il
est nécessaire de mettre en évidence pour comprendre le principe de l’holographie.
1.1.
Les interférences
Pour comprendre comment les hologrammes enregistrent les informations contenues dans
le front d’onde, nous allons introduire la notion d’interférence.
L'interférence est un phénomène qui se produit lorsque deux ondes lumineuses se
rencontrent. L'étude des interférences permet d’extraire deux lois :
Lorsque deux ondes sinusoïdales se rencontrent, leurs amplitudes s’additionnent. Si elles
sont en phase, alors la résultante est une onde d’amplitude non nulle. A l’inverse, si elles
sont en opposition de phase, la résultante est une onde d’amplitude nulle. Tous les
déphasages intermédiaires peuvent également exister.
C’est ce principe qui permettra d’obtenir des franges d’interférences servant à l’observation
ultérieure de l’hologramme.
Schéma :
Onde
1
I2
I
Interfé
rence
Onde
2
I1
Onde
1
I2
I
Interfé
rence
Onde
2
2
1.2.. La diffraction
On observe la diffraction d’une onde lumineuse si celle-ci rencontre une ouverture ou un
obstacle dont les dimensions sont du même ordre de grandeur que la longueur d’onde.
L’ouverture ou l’obstacle se comporte alors comme une source de lumière de même
fréquence (principe de Huygens-Fresnel).
La figure de diffraction observée résulte de l'interférence des ondes émises par l'ensemble
des sources secondaires
Diffraction d’une onde lumineuse :
Pour un hologramme, le motif d’interférence enregistré sur la plaque photosensible se
comporte avec la lumière de restitution comme s’il s’agissait d’une multitude de trous
minuscules, diffractant chacun à sa manière une partie du front d’onde correspondant à
l’information lumineuse de l’objet précédemment enregistré.
1.3. Caractéristiques de la source de lumière
La lumière utilisée pour la production d’hologramme se doit de satisfaire à plusieurs
propriétés : elle doit être à la fois monochromatique directionnelle et cohérente et
polarisée, essentiellement pour éviter de créer des interférences parasites.

Monochromatique :
Les sources à incandescence classiques (ampoules par exemple), doivent être
élevées à une température suffisante pour qu’une partie de leur charge calorifique
soit émise sous forme de lumière visible. La lumière issue de ce phénomène est
3
composée de nombreuses longueurs d’ondes différentes, qui donnent finalement la
couleur visible de la lampe.
A l’inverse, le laser est une source de lumière dont la bande de longueur d’onde
émise est très étroite, à tel point que l’on parle de lumière monochromatique.

Directionnelle :
Par opposition aux lampes à incandescence qui émettent de la lumière dans toutes
les directions de l’espace, le laser émet une lumière directive peu divergente. En
effet, la projection d’un laser sur un écran entraine l’apparition d’une tâche de faible
diamètre qui s’agrandit très légèrement si la distance à l’écran augmente

Cohérente :
Comme nous l’avons vu précédemment, les sources de lumières incandescente
émettent de la lumière, c'est-à-dire des photons dans toutes les directions de
l’espace. Ces photons vibrent à des fréquences quelconques et forment un spectre
continu de rayonnement composé de longueurs d’ondes diverses. Ce type de lumière
est dit incohérent.
L’ampoule, une source de lumière incohérente :
La lumière laser est dite cohérente car elle émet des photons de même fréquence et
de même phase, c’est ce que l’on appelle la cohérence temporelle. Pour caractériser
ce phénomène, on définit la longueur de cohérence, c'est-à-dire la distance que la
lumière émise peut parcourir en restant toujours cohérente. Pour un laser cette
longueur peut atteindre quelques millions de longueurs d’onde.
En plus de sa grande intensité, le faisceau laser est très collimaté, c’est à dire que les
photons émis sont parallèles entre eux. Ils semblent donc venir d’une source
ponctuelle très éloignée, c’est la cohérence spatiale.
4
Le laser, une source de lumière cohérente :

Polarisée linéairement :
Une autre propriété que les sources de lumières doivent posséder pour obtenir une
formation efficace de la figure d’interférence est une polarisation linéaire.
Une source de lumière est dite polarisée linéairement quand le vecteur du champ
électrique réside dans un seul plan. Le vecteur correspondant au champ magnétique
réside dans un plan orthogonal à celui-ci. En général, la lumière émise par les lasers
est polarisée linéairement.
Sans ces propriétés, nous ne serons pas capable de générer les figures d’interférences qui
permettent la formation d’un hologramme.
2. Principe de l’holographie
2.1.
Principe général
Lorsque l’on réalise une photographie, on enregistre en fait sur une plaque sensible la
luminosité des différents points de l’objet photographié. La seule grandeur physique qui
entre en jeu est donc la puissance par unité de surface des ondes lumineuses émises par
l’objet.
Créer un hologramme, c'est-à-dire un enregistrement codé de la surface d’onde lumineuse
produite par un objet occupant une certaine position dans l’espace, reviens à « enregistrer »
la phase de la lumière émise par cet objet. Mais c’est impossible : aucune surface sensible
(rétine, plaque photographie, etc.) n’est sensible à la phase de l’onde.
Pour contourner cette difficulté, on fait interférer la lumière venant de l’objet (éclairé par le
faisceau objet) avec un faisceau de lumière cohérent qui éclaire la plaque photographique
(faisceau de référence).
Donc ce que l’on enregistre sur la plaque photographique est une image interférométrique
formée par des zones plus ou moins lumineuses. Un point est d’autant plus lumineux que les
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ondes étaient en phase à cet endroit et que l’amplitude de la lumière provenant de la scène
était grande.
D’un point de vue expérimental, on partage les ondes lumineuses issues d’un laser avec un
miroir réfléchissant. De cette manière, le faisceau objet et celui de référence proviennent de
la même source et ont donc les mêmes caractéristiques (fréquence et phase). Bien
évidement, lorsque le faisceau objet arrive sur la plaque holographique, sa phase a changé.
Schéma général du dispositif expérimental :
Pour pouvoir observer l’hologramme ainsi créé, il suffit de l’éclairer avec un faisceau de
lumière monochromatique similaire à celui utilisé comme référence. L’hologramme laissera
passer plus de lumière là où l’amplitude de la lumière venant de l’objet était grande et
surtout là où la phase de cette lumière était proche de celle du faisceau de référence.
L’hologramme n’enregistre donc pas la phase de la lumière, ce qui est impossible, mais
plutôt les points où la phase était identique.
Ainsi, la phase de la lumière émise par l’hologramme pendant la lecture n’est pas identique à
celle de la lumière qui l’a enregistré, mais elle est assez proche pour permettre la restitution
de l’objet au sens optique.
Au final, l'aspect d'un hologramme est celui d'une pellicule grise plus ou moins uniforme. Les
détails sont pratiquement invisibles car ils sont de dimensions comparables à la longueur
d’onde de la lumière (quelques micromètres).
La création d’un hologramme en couleurs, nécessite de faire 3 expositions successives avec
des lasers de couleurs différentes, les trois couleurs primaires additives : rouge, bleu, vert.
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La couleur de l'objet ne restituant pas avec la même intensité chaque longueur d'onde, va
engendrer trois hologrammes superposés, stockés sur une même plaque sensible, dont les
couleurs se combinent à la relecture, générant ainsi un hologramme multicolore.
2.2. Les différents types d’hologrammes
Dans cette partie, nous allons étudier les méthodes de lecture et d’enregistrement des
différents types d’hologramme, en commençant par le montage expérimental originel de
Dennis Gabor.

Le dispositif originel de Gabor :
L’expérience historique de Gabor, qui créa le premier hologramme, peut être considérée à
elle seule comme un type d’hologramme à part entière. En 1947, la source lumineuse dont
disposait Gabor était une lampe à vapeur de mercure de faible longueur de cohérence.
L’objet qu’il tenta d’holographier était une petite diapositive de 1,5 mm de diamètre sur
laquelle étaient inscrites des lettres. La lumière diffractée par les lettres constituait le
faisceau objet et celle traversant les parties transparentes le faisceau de référence. Grâce à
la faible distance entre l’objet et la plaque sensible (environ 60 cm), le faisceau de lumière
était relativement cohérent.
Après révélation chimique de la plaque, une image virtuelle de l’objet apparut.
Schéma du dispositif originel :
A : Lampe à vapeur de mercure
B : Filtre monochromatique
C : Sténopé
D : lentille collimatrice
E : Transparence
F : Faisceau diffracté même axe que celui de
référence
G : Plaque photographique
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Le principal inconvénient de ce montage, dû à l’alignement du matériel optique, c’est que
l’examen de l’image virtuelle est gêné par la présence d’une image réelle entre les yeux du
spectateur et l’hologramme.

Les hologrammes à transmission (faisceau objet réfléchi) :
Cette méthode permet d’éviter l’image réelle parasite du dispositif de Gabor. Le nonalignement du matériel optique et l’amélioration de la cohérence de la source lumineuse,
avec l’apparition du laser, permet d’obtenir un hologramme de bien meilleur qualité.
Ce type d’hologramme n’est pas très connu du grand public car on ne peut les observer
qu'en reproduisant un éclairage de référence au laser. L'image formée est visible en 3D
uniquement à travers le film lorsque celui-ci est éclairé par un faisceau cohérent de même
fréquence que lors de l'enregistrement.
Pour l'enregistrement, le faisceau de référence et le faisceau objet sont projetés sur le
même coté de la plaque sensible.
Constitution de l’hologramme :
A : Laser
B : Lentille
C : Lame séparatrice
D : Miroir
E : Faisceau éclairant l’objet
F : Faisceau de référence
G : Objet
H : Faisceau objet
J : Film
Observation de l’hologramme :
J : Film
K : Faisceau de restitution
L : Hologramme
M : Faisceau image
N : Image virtuelle
8

Les hologrammes à réflexion :
Ce sont les hologrammes les plus courants car ils sont observables à la lumière blanche.
Ils sont enregistrés lorsque le faisceau objet et le faisceau de référence sont projetés sur les
deux cotés de la plaque photographique. Ce montage ne nécessite pas de miroir semiréfléchissant car le faisceau objet n'est rien d'autre que le retour du faisceau de référence
après être passé à travers le film sensible et avoir heurté l'objet, comme nous le montre le
schéma suivant :
Constitution de l’hologramme :
A : Laser
B: Lentille
C: Lame séparatrice
D : Miroir
E : Faisceau illuminant l’objet
F : Faisceau de référence
G : Objet
H : Faisceau objet
J : Film
Ce type d’hologramme est également appelé hologramme de Lippman. C’est en effet Gabriel
Lippman qui inventa un système de photographie en couleur basé sur l’interférence produite
par réflexion sur ces couches. C’est ce que l’on appelle un miroir interférentiel.
L’hologramme par réflexion, un miroir interférentiel :
A : Les ondes lumineuses de longueurs d’ondes
appropriées interfère constructivement lorsqu’elles
sont réfléchies et sont renforcées
B : Les ondes de longueurs d’onde différentes
interfèrent destructivement et s’annulent
Il est possible d’utiliser la lumière blanche pour restituer l’image car la lumière réfléchie par
l’hologramme n’est constructive qu’a condition d’avoir une longueur d’onde appropriée. La
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lumière du soleil ou d’une lampe classique suffit généralement à la restitution de
l’hologramme (cohérence spatiale et temporelle suffisante).
Observation de l’hologramme (après révélation chimique) en lumière blanche :
A : Lumière blanche
B : Faisceau de restitution
C : Hologramme
D : Faisceau image
E : Image virtuelle
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3. L’holographie dans l’informatique
Le stockage de données est aujourd'hui primordial en informatique. Or, Les disques durs
actuels fonctionnant avec une couche magnétique sont considérés comme peu rentables,
car animés par un moteur et utilisant une tête de lecture qui limite la vitesse d’accès à la
mémoire ainsi que la capacité du disque.
A l’inverse, le stockage holographique des données permet de créer des disques durs
disposant d’une très grande densité de stockage, inconcevable magnétiquement. Le
stockage optique en holographie se fait par interférence de rayons lumineux dans un cristal.
Il est alors possible de stocker les informations en volume, plan par plan.
A titre de comparaison, les meilleurs disques durs actuels atteignent des capacités de
stockage de 150 Mo par centimètre carré, alors que le stockage holographique permettrait
d’aller jusqu’à 10000 Mo par centimètre cube.
Schéma de ce dispositif :
11
Ce circuit optique permet de stocker des milliers de pages de données dans un petit cristal
de niobate de lithium. Un faisceau laser dit faisceau objet, enregistre les données lors de son
passage à travers un modulateur spatial de lumière, où les données sont représentées par
des réseaux de points sombres ou clairs. La rencontre de ce faisceau avec un faisceau de
référence produit une figure d’interférence, enregistrée dans le cristal. Un dispositif de
balayage mécanique modifie légèrement l’angle du faisceau de référence, puis une nouvelle
page est enregistrée.
On peut lire des pages mémorisées en éclairant l’hologramme avec le faisceau de référence
utilisé pour enregistrer cette page. La page reconstituée est lue par un système à transfert
de charges (CCD ou Charged-Coupled Device), qui convertit le rayonnement émis par
l’hologramme en un signal électrique analogique compréhensible par l’ordinateur.
Au niveau du cristal, le stockage et la lecture s’effectuent par le croisement de deux ondes :
Le stockage se fait plan par plan, ce qui permet des débits de données encore jamais
atteints, de l’ordre du Go par seconde, contre quelques Mo actuellement.
Schéma fonctionnel du cristal :
Faisceau 1 : balayage
du plan
Faisceau 2 : Projection
des données ou du
faisceau de lecture
Projection de l’image
des données, lisible
avec un capteur
optique
12
Conclusion
L’holographie est un domaine scientifique assez récent, et très dynamique, notamment en
ce qui concerne l’engouement actuel pour le stockage holographique.
Les hologrammes, qui étaient encore marginaux il a quelques années, ont envahi notre vie :
Que ce soit dans les magasins de souvenirs, dans les livres, ou dans la sécurité, ils deviennent
une branche incontournable dans le développement des nouvelles technologies.
Le problème de l’holographie, comme beaucoup de techniques de pointe, est son cout élevé
en recherche et développement, qui influe sur le prix d’achat en le rendant dissuasif. A titre
d’information, le prix d’un mètre carré d’hologramme décoratif avoisine les 20 000€. Idem
pour les disques durs holographiques qui sont encore réservés à une clientèle de
professionnels.
Ce qui semble le plus encourageant à propos de l’holographie, c’est que comme la
photographie il y a 100 ans et l’astronomie de nos jours, beaucoup de découvertes sont
faites par des amateurs.
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Bibliographie
Livres :
-
P. Hariharan, Basics of Holography (2002)
-
M. Françon, Holographie(2002)
-
Graham Saxby, Practical Holography (2004)
Documents électroniques:
-
http://membres.lycos.fr/holotpe/id25.htm
-
http://www.tpe-holographie.com/
-
http://holographie2.free.fr/
-
http://fr.wikipedia.org/wiki/Holographie
-
http://fr.wikipedia.org/wiki/Hologramme
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