Utilisateur:Phyphile

Sujet en cours d'élaboration Il reste des liens à peaufiner et quelques compléments éventuels (photos de boitier holographique...)

Mise en garde

Le titre du sujet n'a rien de péjoratif,il exprime simplement l'absence de bagage scientifique de haut niveau nécessaire à sa compréhension ; en aucun cas il est synonyme de simplifications occultant la réalité.

Définition

L'holographie est un procédé optique visant à restituer l'intégralité du message lumineux pour transcrire le relief d'une scène. Ce procédé se distingue nettement des procédés utilisés dans le domaine de la 3D grand public ; il n'est pas un subterfuge dans la mesure ou c'est la source même du relief qui est captée et enregistrée sur un support photosensible de type argentique , une pellicule photo argentique. C'est de plus une grande victoire le l'optique ondulatoire.

Principe

La lumière est un phénomène dont un des aspects est ondulatoire et à ce titre mouvant ;l'hologramme, résultat de l'enregistrement des ondes lumineuses ne peut être une quelconque façon de figer directement la lumière ; l'astuce du procédé réside dans le fait que si l'on fait inter-agir,mieux interférer dans des conditions bien précises deux ondes lumineuses mouvantes, on observe des zones d'immobilité :il n'y aura alors pas grand mal à les figer dans la gélatine de la pellicule. Une onde de référence (mouvante) interfère ainsi avec l'onde(mouvante)émise par l'objet à holographier ; c'est le résultat stabilisé de cette interférence qui est enregistré. On le voit donc, l'hologramme prend en compte toute la réalité optique de la lumière émise par l'objet. Contrairement à l'enregistrement audio sur une bande magnétique pour lequel il faut faire défiler la bande pour enregistrer l'onde acoustique en temps réel, dans le cas d'un hologramme c'est une forme codée par interférence du message lumineux qui est enregistrée. On verra plus loin que la restitution de l'onde est particulièrement simple ( en principe du moins).

La réalisation d'un hologramme reste malgré tout une affaire de spécialiste eu égard en particulier à la nécessité d'opérer dans un champ à l'abri des moindre lumières parasites et dans des conditions draconiennes d'immobilité.

Illustration du caractère ondulatoire de la lumière

Le cheminement rectiligne de la lumière nous est familier avec notamment les rayons de lumière mis en évidence par la poussière ambiante ou encore les faisceaux laser qui illuminent le ciel brumeux pour une quelconque manifestation ludique ou publicitaire. De là à imaginer que la lumière a un aspect corpusculaire il n'y a qu'un pas -de tir- à franchir. Et, en effet, la lumière possède un effet corpusculaire . Pourtant elle ne vibre pas que dans la tête des peintres impressionnistes ;la lumière est aussi une onde mais cet aspect est bien moins routinier sinon par ses conséquences ; il faut un minimum de culture scientifique pour percevoir cet aspect dans les irisations d'une simple toile d'araignée. Une image facile de cet aspect sera la création d'ondes mécaniques à la surface d'un liquide comme sur une cuve à ondes. Si nous faisons vibrer verticalement à la surface de l'eau un petit stylet on observe que des vagues concentriques prennent naissance et se propagent à vitesse constante. Dans le cas de la lumière une source ponctuelle créerait de la même façon des sphères concentriques (indépendamment de tout support) de maximum et minimum de lumière. La figure 1 illustre le cas où deux sources ponctuelles S1 et S2 émettent des ondes progressives de même fréquence ; la visite du site suivant sera plus parlante par suite de l'animation. L'examen de cette figure est déterminant pour saisir le principe de l'holographie. Un éclairage stroboscopique de la cuve à onde permet d'observer le cheminement des crêtes ( cercles noirs épais) et des creux (cercles noirs fins). L'ensemble de ces cercle constitue une image mouvante dans laquelle il est facile d'imaginer la progression de l'intersection de deux crêtes par exemple C1 qui progresse en C2 après une longueur d'onde (espace séparant deux crêtes successives) ou encore une période (durée séparant la création aux sources de deux vagues successives). Il est ainsi facile de concevoir les trajets de superposition des crêtes (en rouge) et de superposition des crêtes et creux ( en bleu) ; pour information ces trajectoires sont des hyperboles. Dans le cas des ondes lumineuses S1 et S2 seraient deux sources ponctuelles de lumière, les cercles seraient des sphères et les hyperboles des hyperboloïdes de révolution ressemblant vaguement à des couvercles mais il serait tout à fait impossible de stroboscoper la lumière bien évidemment ; en revanche seules les hyperboles sont fixes et observables. Cette expérience qui porte le nom d'expérience des trous d'Young a été réalisée par Young en 1801» On observe donc des hyperboles d'intensité maximale et, intercalées, des hyperboles d'obscurité par le principe de superposition des petites déformations. Cette expérience d'interférence lumineuse apporte la preuve du caractère ondulatoire de la lumière mais l'important pour la suite de notre problème est que l'ensemble des hyperboles soit fixe et par suite facile à enregistrer sur une pellicule argentique.

Une application immédiate:hologramme d'un point

Le titre prête à sourire quand on songe à la pauvreté du relief d'un point ; pourtant nous allons voir comment sa position dans l'espace sera restituée après l'enregistrement sur pellicule de son hologramme.

Enregistrement

Seule une lumière laser rigoureusement monochromatique, permet de disposer d'une longueur d'onde constante et encore faut-il la dédoubler pour une cohérence spatiale et temporelle incontournable. A l’aide d’une simple lame semi-transparente(vitre) le faisceau , f ,émis par un laser est dédoublé en deux faisceaux f1 et f2. f2 vient éclairer un objet ponctuel S2 (tête d’épingle).f1 éclaire une bille de roulement à bille , S1 , (excellent fini optique)de 5 mm de diamêtre. On considèrera S1 et S2 comme deux sources ponctuelles de lumière. Après reflexion et diffusion , S2 devient une source ponctuelle émettant une onde sphérique aussi appelée onde objet , notée Uobj. Après reflexion sur S1 , f1 s’étale en une onde pratiquement sphérique,aussi appelée onde de référence et notée Uref. Ce montage est tout à fait analogue à celui de la figure 1. La pellicule holographique se distingue des pellicules photographiques usuelles,essentiellement par son grain lui permettant de séparer jusqu’à 5000 traits par mm. Cette pellicule reçoit simultanément Uref et Uobj .L’ensemble tient dans un boitier rigide et à l’abri des vibrations. La pellicule enregistre alors la figure d'interférence précédente,intersection des hyperboloïdes et du plan de la pellicule. On se bornera à ne considérer que les traces ponctuelles. Un point M de la pellicule sera obscur s'il se trouve simultanément sur un cercle de crête et un cercle de creux, en d'autre termes si la différence de distance entre MS1 et MS 2 est un multiple impair de la demi longueur d'onde soit | MS1 – MS2 | = (2k+1)lamda/2 lambda étant la longueur d’onde émise par le laser. La figure 3 illustre le cheminement d'un point de l'espace P1 qui satisfait à la condition | P1S1 – P1S2 | = (2k+1) /2 et qui chemine en M. Il existe ainsi un très grand nombre de points tels que M ;ce sont ces points qui vont dessiner l' intersection des hyperboloïdes et du plan de la pellicule.

Restitution-fig.4

C'est une opération particulièrement simple Au bout d’une vingtaine de secondes d’exposition on éteint le laser (0,5mW )et on développe la pellicule: les parties obscures comme les points M apparaissent alors en transparent et les parties éclairées en noir. ( simple effet de négatif de la pellicule argentique). Les points M laissent donc la place à des zones ponctuelles transparentes sur la pellicule développée. On remet alors en place la pellicule dans le boitier au même endroit que lors de l’exposition ;on supprime S2 et on dispose un cache sur le trajet f2. f1 génère à nouveau Uref . Par un phénomène de diffraction caractéristique des ondes chacun de ces points joue le rôle d'une source ponctuelle émettant des ondes sphériques synchrones de même longueur d'onde . Ces multiples sources vont donc engendrer un phénomène d'interférence de part et d'autre du plan de la pellicule.

Il semble inconcevable sinon avec une probabilité voisine de zéro qu’un point N(fig.4) choisi au hasard soit « éclairé » et « simultanément éclairé » par toutes les sources Mi ,en d'autres termes plus précis que toutes les ondes issues des sources de type Mi qui arrivent en N soient en phase. Pourtant il existe deux points qui répondent à la question,deux points qui sortiront du lot brillamment éclairés par la multitude de sources Mi en lumière cohérente. Le premier se situe, par construction inverse de la figure d'enregistrement, à l'endroit précis où se trouvait S2. Le second en sera son symétrique par rapport au plan de la pellicule. Ces points représentent l’image restituée du point S2. Le premier semblera flotter au dessus de la pellicule et l'on pourra lui tourner tout autour.

Hologramme d'un objet quelconque

Le principe de l'enregistrement et de la restitution reste le même.S2 est remplacé par un objet quelconque que l'on peut considérer comme un ensemble de points ; f2 est étalé par un dispositif approprié pour que l'objet soit tout entier éclairé.

Conclusion

Cet exposé n'a d'autre but que d'appréhender le principe de l'holographie ; on visitera les sites spécialisés pour de plus amples renseignements techniques.