Projet expérimental sur l`holographie - Pol Grasland

Projet expérimental sur l’holographie
Anaïs Dréau, Pol Grasland-Mongrain , Sandrine Ngo
Projet expérimental encadré par Olivier Pluchery
M1 Phytem
1

Table des matières
1 Introduction 2
2 Principe général de l’holographie 2
2.1 Qu’est-ce qu’un hologramme ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Principe d’enregistrement d’un hologramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.3 Elémentsdeformalisme ............................. 4
2.4 Les différents types d’hologrammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.1 Hologramme par transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.2 Hologramme par réflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Aspects expérimentaux 9
3.1 Lematériel .................................... 9
3.2 Protocole d’obtention d’un hologramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2.1 Réglage de l’épurateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2.2 Enregistrement d’un hologramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.3 Réglages et précautions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Développement de la plaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.1 Protocoleclassique ............................ 14
3.3.2 Utilisation des plaques et des solutions ultimate (méthode de blanchi-
ment) ................................... 14
4 Nos manipulations, observations et résultats 16
4.1 Une première observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2 Réalisation d’hologrammes par transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.2.1 Imaged’unpoint ............................. 17
4.2.2 Hologramme d’un objet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.2.3 Hologramme d’un objet en double exposition : mise en évidence des
déformations ............................... 20
4.3 Réalisation d’hologrammes par réflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5 Conclusion 22
A Annexe : Résumé des manipulations 24
1

1 Introduction
Le principe de l’holographie a été découvert par Dennis Gabor à la fin des années
40, alors que celui-ci travaillait sur les microscopes électroniques. Mais il faudra attendre le
développement des lasers pour pouvoir réaliser pratiquement des hologrammes. Le dévelop-
pement de l’holographie fut par la suite exponentiel : ainsi, la quasi-totalité des cartes bleues
actuellement en circulation contiennent un hologramme ! Et les applications actuelles et à
venir ne manquent pas : stockage d’information, mesures de précision, imagerie 3D...
2 Principe général de l’holographie
2.1 Qu’est-ce qu’un hologramme ?
Pour les non-initiés, les hologrammes constituent des sortes de photographies en trois
dimensions, mais pour les physiciens, il s’agit plutôt de réseaux microscopiques de franges
d’interférence. En effet, même si la photographie argentique et l’holographie utilisent toutes
les deux des plaques ou films photosensibles, les procédés d’obtention des images sont com-
plètement différents : si l’optique géométrique suffit à expliquer la formation des images
photographiques, il faut faire appel à l’optique ondulatoire et à la notion d’interférence pour
expliquer les images holographiques [1, 2, 3].
2.2 Principe d’enregistrement d’un hologramme
Qu’est-ce qui différencie l’enregistrement d’un hologramme de celui d’une photographie
argentique ?
Le procédé le plus simple pour photographier un objet est schématisé sur la figure 1.
A l’aide d’une lentille convergente, on crée l’image géométrique réelle de l’objet que l’on
fait coïncider avec la pellicule photosensible. Si l’on suppose que la lentille est parfaitement
stigmatique, chaque point de l’objet va créer un point différent sur la plaque. Nous obtenons
ainsi une image à deux dimensions de notre objet à trois dimensions, avec un facteur d’échelle
dépendant du grandissement de notre lentille, mais aucune information sur le relief de l’objet
photographié.
Fig. 1 – Pour prendre une photographie du personnage, on utilise une lentille convergente afin
de créer l’image géométrique de celui-ci sur la pellicule photosensible.
2

Notre vision en relief provient de nos deux yeux : ceux-ci voient le monde sous deux
angles différents. Par exemple, prenons un objet qui émet un rayonnement dans le domaine
visible. Quand nous le regardons, la portion du front d’onde qui arrive jusqu’à notre oeil
gauche est différente de celle qui arrive jusqu’à notre oeil droit. Et c’est cette différence qui
permet à notre cerveau de nous donner la vision du relief. Pour rendre compte du relief
d’un objet, il est donc nécessaire de reconstituer l’intégralité du front d’onde en provenance
de l’objet, c’est-à-dire d’enregistrer à la fois l’information sur l’amplitude et sur la phase
de l’onde émise par l’objet. Or, les plaques photographiques, et plus généralement tous les
détecteurs de lumière, ne sont sensibles qu’à l’intensité, c’est-à-dire le module au carré de
l’amplitude, de la lumière qui les impressionne.
Aucun détecteur ne permet de remonter à la phase d’une onde lumineuse. Par contre,
on peut connaître la différence de phase entre deux rayons cohérents via une modulation de
l’intensité détectée : c’est le phénomène d’interférence.
Le principe d’enregistrement d’un hologramme est représenté figure 2. On fait interférer
sur une plaque photosensible une onde plane monochromatique, dite de référence, et les ondes
diffusées par l’objet à holographier, éclairé par l’onde de référence.
Fig. 2 – Principe d’enregistrement d’un hologramme. Une onde plane monochromatique, ap-
pelée onde de référence est envoyée sur une lame séparatrice LS. L’un des faisceaux émergents
est envoyé directement sur la plaque photosensible Ptandis que l’autre est envoyé sur l’objet à
holographier. Chaque point de l’objet va diffuser dans toutes les directions. Sur la plaque pho-
tosensible P, on enregistre les interférences entre l’onde de référence et les ondes diffusées en
provenance de l’objet.
Contrairement au cas de la photographie, chaque point de la plaque photosensible
reçoit l’onde de référence et les ondes diffusées par tous les points de l’objet. Chaque point
voit l’objet sous un angle différent, ce qui donne une illusion de relief. On arrive ainsi à une
propriété surprenante des hologrammes : si nous coupons un hologramme en deux parties
3

égales, nous verrons toujours l’objet en entier. Seule l’impression du relief sera légèrement
atténuée car la moitié des points de la plaque aura été perdue.
2.3 Eléments de formalisme
Nous utiliserons le dispositif expérimental représenté figure 3 [4].
Fig. 3 – Principe d’enregistrement d’un hologramme. L’onde diffusée par l’objet, éclairé par
l’onde plane de référence, interfère avec l’onde place de référence sur la plaque photographique
P
.
Une onde, que nous supposerons plane et monochromatique de longueur d’onde λ, est
séparée en deux ondes d’égale amplitude. L’une, appelée onde de référence ou onde porteuse,
arrive directement sur la plaque photosensible, l’autre est envoyé sur l’objet à holographier.
Au niveau de la plaque holographique, l’amplitude complexe de l’onde de référence s’écrit
donc sous la forme :
Aref (x, y) = |Aref0|ei
−→
kr·
−→
r=Ar0e−i2πsin(θ)x
λ
L’objet va diffuser dans toutes les directions la lumière qu’il reçoit. L’amplitude complexe
résultante sur la plaque s’écrit :
Aobjet(x, y) = |Aobjet(x, y)|eiφ(x,y)
Comme la plaque holographique n’est sensible qu’à l’intensité de la lumière, calculons
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