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Cours de physique-chimie tous niveaux

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CAPES-Montage physique n°5 :
Etude expérimentale sur les interférences lumineuses

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Introduction :

On parle de phénomène d'interférence lorsque l'intensité lumineuse obtenue par superposition d'ondes (2 pour le cas le plus simple) est différente de la somme des intensités des ondes qui interfèrent.
Ainsi, on peut observer le fait étrange : lumière + lumière = obscurité.
Il existe plusieurs types d'interférences :

  • Par division du front d'onde, interférences non localisées
  • Par division d'amplitude, interférences localisées

Les interférences sont localisées lorsque la figure d'interférence ne dépend pas de la distance entre l'interféromètre (appareil permettant de réaliser des interférences) et l'écran d'observation, elles sont visibles sur une surface bien déterminée donc localisées.

Y a t-il toujours interférences quelque soit les ondes que l'on superpose ?

I Mise en évidence des interférences par les fentes d'Young (dispositif par division du front d'onde). Conditions d'obtention :

1) Observations du phénomène :

Expérience 1 :

Diffraction par une fente

On observe la figure de diffraction donnée par une fente, la tache centrale est deux fois plus grande que les taches secondaires : la lumière ne se propage plus en ligne droite.

Expérience 2 :

Interférences entre deux ondes venant de deux fentes différentes

On observe la figure d'interférences imbriquée dans la figure de diffraction donnée par une fente.

Remarque :

Il y a nécessité que les ondes qui interfèrent soient deux images d'une même source. Ainsi, il y a une différence de phase constante entre ces deux ondes.

2) La cohérence :

a. Cohérence temporelle :

Pour mettre en évidence l'importance de celle-ci, on compare les figures d'interférences (obtenue avec une bifente) donnée par un laser et par une lampe quartz-iode.
La lampe quartz-iode émet une lumière blanche, les franges d'interférences sont bien moins nettes qu'avec la source laser qui est monochromatique.

CL : Belles interférences = monochromaticité

b. Cohérence spatiale :

Interférences avec fente primaire réglable

Nous allons utiliser le dispositif ci-dessus : plus on agrandit la largeur de la fente réglable, plus d'après la diffraction, il y a de sources secondaires et moins il y a d'interférences. La figure d'interférences est donc moins nette avec une largeur de fente importante.
En continuant à augmenter la largeur de la fente réglable, on peut obtenir l'inversion du contraste.

CL : Belles interférences = source primaire unique (fente infiniment fine)

Remarques :

  • Comme nous l'avons dit plus haut, la cohérence temporelle sera d'autant plus grande que la source sera monochromatique. Cette monochromaticité est reliée à la longueur du train d'ondes émis par la source (le train d'onde est d'autant plus long que la source est monochromatique).
    Plus ce train d'onde est long, plus les sources secondaires (dans lesquelles le train d'ondes s'est "divisé") pourront facilement interférer, même si la différence de chemin suivit entre les deux est grande (différence de marche).
  • Une source élargie peut être considérée comme un ensemble de sources ponctuelles juxtaposées et indépendantes. De chacune d'entre elles sortent, les groupes d'atomes émettant la lumière étant différent, des ondes incohérentes (puisque ne proviennent pas de la même source) qui vont venir brouiller la figure d'interférences.

II Etude de quelques paramètres caractérisant les interférences à division du front d'onde :

1) Définition de l'interfrange :

C'est la distance qui sépare deux franges de même nature (sombre ou brillante) sur la figure d'interférence :
i = (λ*D)/a avec
λ : Longueur d'onde de la lumière utilisée pour l'expérience
D : distance séparant les fentes d'Young de l'éécran d'observation
a : distance entre les deux fentes d'Young

On effectue des mesures de cette interfrange sur des franges brillantes et des franges sombres.
Afin d'avoir une meilleure précision sur l'interfrange, on mesure cinq interfrange au lieu d'une seule, puis on divise.

2) Mesure de la distance entre les deux fentes d'Young :

D'après la définition de l'interfrange, on a :
a = (λ*D)/i.
Avec la mesure précédente de l'interfrange, on obtient aisément ne mesure de a.
Calcul d'incertitude :

Calcul d'incertitude sur la détermination de la distance entre les fentes d'Young

3) Mesure de la longueur d'onde d'un filtre :

Pour cette partie nous allons utiliser une lampe blanche quartz-iode et un filtre dont on ne connaît pas les caractéristiques.
On va mesurer plusieurs interfranges de la figure d'interférences obtenue avec le filtre, puis on divise pour obtenir la valeur de l'interfrange.
Comme la distance entre les fentes d'Young n'a pas été modifiée, on peut obtenir la valeur de la longueur d'onde du filtre par comparaison :
λfiltre = (λlaser*i avec filtre)/i avec laser

Calcul d'incertitude :

Calcul d'incertitude sur la détermination de la longueur d'onde du filtre

Remarque :

On vérifiera que la longueur d'onde du filtre correspond bien avec sa couleur.

III Interférences par division d'amplitude : les anneaux de Newton :

Dispositif des anneaux de Newton

On remarque que le déplacement du dispositif interférentiel n'a pas d'influence sur les formes des figures d'interférence, elles sont bien localisées.

Conclusion :

Les interférences sont utilisées dans divers domaines :
* l'holographie permet de créer des tableaux en trois dimensions, mais bientôt va permettre de stocker des informations sous forme d'images optiques en trois dimensions, ce qui permettra d'utiliser le support dans son épaisseur.
* la mesure avec la détermination d'épaisseur de surface
* La construction avec la mise au point de réseau par transmission et de couches anti-reflets
La meilleure source lumineuse pour obtenir des interférences est le laser, cette source respectant des règles de cohérence.