Interferometre de Michelson

L'interféromètre de Michelson (parfois appelé abusivement le Michelson) est un dispositif optique inventé par Albert Abraham Michelson qui produit des interférences par division d'amplitude. Il est constitué essentiellement de deux miroirs et d'une lame semi-réfléchissante. Les deux configurations possibles d'utilisation sont la configuration en lame d'air et celle en coin d'air.

Présentation

La théorie

L'interféromètre de Michelson est constitué de deux miroirs M1 et M2 et d'une lame semi-réfléchissante appelée séparatrice. Ces trois éléments sont orientables et M1 est déplaçable par translation (pour ajuster la distance notée d sur le schéma)

Sur le schéma ci-contre, qui modélise un Michelson utilisé en lame d'air, la source de lumière envoie un rayon (d'intensité I) vers la séparatrice. Ce rayon est divisé en deux rayons (bleu et vert) d'intensité I/2. M1' représente l'image du miroir M1, symétrique par rapport à la séparatrice ; le trait pointillé bleu représente donc un trajet virtuel équivalent au trajet réel de la lumière vers le miroir M1. La différence de longueur d des bras de l'interféromètre induit une différence de marche entre les deux rayons égale à 2d.

En pratique

Vue de dessus d'un interféromètre de Michelson

Dans la pratique, la lame séparatrice possède une certaine épaisseur. Et la face semi-réfléchissante est la face du côté d'entrée de la lumière. Alors que le rayon vert ne la traverse qu'une fois, le rayon bleu la traverse trois fois. Cette traversée peut donc induire une différence supplémentaire.

Pour corriger cela, on place sur le chemin du rayon violet et vert (c’est-à-dire légèrement en haut et à gauche de la séparatrice) une lame dite compensatrice qui doit être de même indice de réfraction et de même épaisseur que la séparatrice, parfaitement parallèle à celle-ci.

Ainsi, le rayon vert et le bleu auront traversé quatre fois une lame de même épaisseur et de même indice. Aucune différence supplémentaire n'est donc introduite.

Les configurations

On peut régler le Michelson de différente manières:

• si les miroirs M1 et M2 sont strictement perpendiculaires, c'est la configuration en lame d'air à faces parallèles.
• s'ils forment un angle α entre eux, on parle de configuration en coin d'air

En considérant M1' (l'image de M1 par la séparatrice) et M2, la configuration lame d'air revient en fait à avoir M1' et M2 parallèles entre eux. C'est ce qui explique le nom à faces parallèles, alors que les miroirs réels M1 et M2 sont perpendiculaires.

Configuration en lame d'air

Pour configurer l'interféromètre de Michelson en lame d'air, il suffit d'agir sur la distance d représentée sur le schéma, comme cela est indiqué dans la partie précédente. Nous nous pencherons ici sur les résultats obtenus lors d'une expérimentation avec cette configuration.

La figure d'interférence observable est celle qui est représentée sur le schéma de droite. On peut y observer un ensemble d'anneaux concentriques, successivement sombres et clairs. La figure est constituée d'anneaux d'égale inclinaison.

Cas particulier de l'observation, lors du contact optique, c'est-à-dire lorsque la distance d est réduite à zéro, on observe une figure d'interférence avec un contraste nul. On a donc une teinte unie. Cette mesure peut permettre de tester la planéité des miroirs utilisés.

Figure d'interférence obtenue avec un interféromètre de Michelson en configuration lame d'air.

Figure d'interférence obtenue avec un interféromètre de Michelson en configuration lame d'air éclairé par une lampe à vapeur de mercure.

Configuration en coin d'air

Figure d'interférence obtenue avec un interféromètre de Michelson en configuration coin d'air éclairé par une lampe blanche.

La configuration en coin d'air consiste à introduire un angle entre les deux miroirs, et donc obtenir un dispositif où M1 et M2 ne sont plus perpendiculaires.

La figure d'interférence, cette fois-ci, est composée de raies toutes parallèles, séparées par une distance (l'interfrange) notée i.

On y voit au milieu entre les deux raies noirs l' interférence d'ordre 0 ensuite les teintes de Newton à droite et à gauche et enfin pour des ordres d'interférence élevés en valeur absolue on a le blanc d'ordre supérieur.

Localisation des interférences

La localisation des interférences visualisées avec le Michelson dépend non seulement de la taille de la source mais aussi de la configuration du Michelson.

Michelson éclairé par une source ponctuelle

Si le Michelson est éclairé par une source (quasi-)ponctuelle, comme par un laser HeNe, les interférences sont visibles dans toute la zone de recouvrement des faisceaux: on dit que les interférences ne sont pas localisées. On peut les observer sans aucun système optique.

Michelson éclairé par une source large en coin d'air

Si le Michelson, réglé en coin d'air, est éclairé par une source large, comme par une lampe spectrale ou bien une lampe blanche, les interférences ne sont pas brouillées mais elles sont localisées au voisinage du coin d'air. On peut les observer :

• soit en formant l'image du coin d'air (c’est-à-dire des miroirs) sur un écran grâce à une lentille convergente;
• soit en observant à l'œil nu le coin d'air (c’est-à-dire les miroirs) en accommodant.

Michelson éclairé par une source large en lame à faces parallèles

Quand on utilise le Michelson réglé en lame à faces parallèles, éclairé par une source large, les interférences ne sont pas brouillées mais elles sont localisées à l'infini. On peut les observer:

• soit en plaçant un écran dans le plan focal image d'une lentille convergente;
• soit en observant à l'œil nu sans accommoder.

Dans le cas d'une source ponctuelle les franges d'interférences sont des segments non localises . Dans le cas d'une source large les franges d'interférences sont des segments localisés a la surface du coin d ' air

Utilisations

L'interféromètre de Michelson a été utilisé pour la première fois dans l'Expérience de Michelson-Morley, qui a permis de montrer, d'une part que la vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas du référentiel d'observation, d'autre part que l'éther n'existe pas.

Comme déjà cité dans "configuration en lame d'air", on utilise fréquemment l'interféromètre de Michelson pour tester la planéité et la qualité des miroirs ou autres surfaces comme des filtres, des dichroics etc ...

Voir aussi

Article connexe

• Interférométrie

Liens externes

Simulations informatiques: TD Info Michelson / Université de Nantes

Quelques vidéos explicatives sur l'interféromètre de Michelson:

• son principe
• éclairé par un laser HeNe
• en coin d'air
• en miroirs parallèles
• son application à la spectroscopie

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