L`holographie - Emilie Cravero
publicité
er 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 5 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. 6 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 7 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 9 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 10 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. 13 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 14 15
