table des matieres

TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION...................................................................................................................... 2
EXPLICATION DES PHENOMENES EN THEORIE............................................................. 4
I
II
LIEN ENTRE HOLOGRAMME ET PLAQUE ET FILM PHOTOGRAPHIQUES. ... 4
ONDES LUMINEUSES ................................................................................................ 6
II.1
Définition onde lumineuse : ................................................................................... 6
II.2
Caractéristiques de l’onde : .................................................................................... 6
II.3
Propagation : .......................................................................................................... 7
II.4
Diffusion et diffraction de la lumière :................................................................... 7
II.4.a
Diffraction de la lumière : .............................................................................. 7
II.4.b
Diffusion : ...................................................................................................... 8
III
LE LASER ................................................................................................................. 9
III.1 Le faisceau laser :................................................................................................... 9
III.2 Cohérence temporelle et spatiale : ....................................................................... 10
III.3 Intensité d’un faisceau laser : ............................................................................... 11
IV
V
INTERFERENCES .................................................................................................. 12
L’HOLOGRAPHIE ACOUSTIQUE ........................................................................... 15
EXPLICATION DES PHENOMENES EN PRATIQUE........................................................ 17
VI
PROPRIETES DE L'HOLOGRAMME................................................................... 17
VII
REALISATION PRATIQUE D'UN HOLOGRAMME .......................................... 18
VII.1
1. Le matériel nécessaire. ................................................................................. 18
VII.2
2. Les différents montages possibles................................................................ 19
VII.2.a Holographie par transmission....................................................................... 19
VII.2.b Holographie par réflexion. ........................................................................... 20
VII.3
Réalisation de l'expérience ............................................................................... 21
VII.3.a Mesure des intensités ................................................................................... 22
VII.3.b Enregistrement de l'hologramme.................................................................. 22
VII.3.c Restitution de l'hologramme......................................................................... 23
VIII LES APPLICATIONS ............................................................................................. 24
VIII.1
La précision des détails .................................................................................... 24
VIII.2
La restitution de la 3D...................................................................................... 24
VIII.3
Hologrammes en couleur ................................................................................. 25
VIII.4
Effets spéciaux ................................................................................................. 26
VIII.5
L’holographie dans la sécurité ......................................................................... 27
VIII.6
L’Holographie dans l’informatique : le stockage à haute densité .................... 28
CONCLUSION ........................................................................................................................ 29
IIN
NT
TR
RO
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TIIO
ON
N
Le terme hologramme vient des mots grecs « holos » qui signifie « un tout » et « gramma »
qui exprime le « signe » ou le « message ».
L’holographie ou technique d’enregistrement de toute l’information optique issue d’un objet
tridimensionnel comporte deux étapes, tout d’abord l’enregistrement d’un hologramme puis la
reconstitution de l’onde objet.
C’est en 1947 que le physicien anglo-hongrois Dennis Gabor a mis au point la théorie de
l’holographie. Cette découverte qui ne devait initialement pas servir à illustrer des objets en
trois dimensions, est intervenue alors que Monsieur Gabor tentait d’améliorer le pouvoir de
résolution d’un microscope électronique, cherchant à augmenter le contraste par le biais de
l’intensité lumineuse. Sa tentative fut un échec, mais il constata que cette technologie pouvait
restituer une image de l’objet observé, plus fidèle que l’original en enregistrant une nouvelle
dimension : la phase de l’onde réfractée.
Gabor décida alors de réaliser un petit hologramme de 2 mm² où il souhaitait y inscrire les
noms de trois physiciens : Huygens, Young et Fresnel. A l’époque, les possibilités étaient
limitées, et il dû par exemple utiliser une lampe de vapeur de mercure comme source
lumineuse. Il se servit également d’un filtre de couleurs et d’un écran à trou afin d’augmenter
la cohérence spatiale. Mais cette méthode entraîna une forte perte d'intensité et le résultat fut
peu satisfaisant. Effectivement, les trois noms étaient difficilement lisibles du fait que
l'hologramme présentait beaucoup de marques foncées. Gabor fût néanmoins surpris par la
réalisation d'une deuxième image, ou image vraie, qui se superposait à l'image réelle, et qui
montrait le relief de l’objet.
Après la publication de son travail de recherche, il poursuivit ses études sur l’holographie de
1949 à 1951. Malheureusement, ses recherches stagnèrent et il se vit contraint d’abandonner.
2
Quelques années plus tard, en 1959, il apprit que deux scientifiques américains Emmett Leith
et Juris Upatnieks avaient réussi à produire de bonnes reproductions tridimensionnelles
d'objets dont la réalisation était largement basée sur les fondements de sa théorie.
Pour éviter le problème de l'image double, les deux scientifiques américains avaient introduit
la procédure du " rayon double ". A partir de ce moment, on pouvait déterminer l'image
virtuelle derrière le niveau de film, séparée de l'image vraie devant le niveau de film.
En effet, les résultats de Monsieur Gabor n’étaient pas concluants principalement car les
sources de lumière utilisées n’étaient pas cohérentes.
Le premier laser fut inventé en 1960 par Theodore H. Maiman (un Rubinkristallaser) et deux
ans plus tard le laser He-Ne-Laser vit le jour. En 1962, avec l’apparition du Laser, le concept
d’holographie a enfin pu être développé de manière efficace. En 1963, Leith et J. Upatnjeks
tentèrent de nouvelles expériences holographiques, avec succès. Et par exemple, Pieter van
Heerden, de la société Polaroïd, a tenté de stocker des données en 3 dimensions en s’appuyant
sur la technologie holographique.
En 1971, Denis Gabor fut récompensé par le prix Nobel de physique pour sa découverte de
l’holographie qu’il avait faite 23 ans auparavant, à l’âge de 28 ans, car il avait été capable de
rédiger une procédure possible de réalisation des hologrammes.
Ses travaux ont montré que l'information pouvait être conservée par un recouvrement de
l’onde lumineuse partant de l'objet et d'une onde lumineuse de référence par la voie directe et
photographique retenue.
L'invention de Gabor, pour laquelle aucun avenir n'était prévisible, est devenue 60 ans après
sa découverte, un domaine de recherche dont les applications sont variées.
Dennis GABOR (1900 – 1979)
Prix Nobel en 1971 pour sa découverte de l’Holographie
3
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I
LIEN ENTRE HOLOGRAMME ET PLAQUE ET FILM
PHOTOGRAPHIQUES.
Lorsque nous voyons un objet, nous voyons en fait l’ensemble des rayons diffusés par chaque
point de cet objet. Réaliser un hologramme revient à reformer une image en 3D grâce à une
plaque photographique, donc à reconstituer cet ensemble de rayons afin de pouvoir voir cet
objet comme si il était présent.
En effet, une plaque photographique est une émulsion sensible à l’intensité lumineuse, c'est-àdire au carré du champ électrique (E) de l’onde lumineuse.
Or pour reconstituer une image en trois dimensions, il est indispensable de détenir une
information à la fois sur l’amplitude A et la phase du champ électrique. La lumière réfléchie
par une photographie transmet une information sur l’éclairement mais ne donne rien sur la
phase de l’onde qui émanait auparavant de l’objet. Dans la technique photographique
habituelle, l’image obtenue est un enregistrement point par point de l’intensité et donc du
carré de l’amplitude réelle de l’onde optique issue de l’objet. Comme nous ne possédons
aucune information sur la phase de l’onde, il nous est facile de distinguer un objet (en trois
dimensions) de son image photographique (deux dimensions).
Le but est donc de restituer la phase de l’onde ou reconstituer l’onde avant l’enregistrement.
Ce sont les différences de phases qui permettent de reconstituer la troisième dimension car
selon la distance plaque–point de l’objet, la phase de l’onde arrivant sur la plaque
photographique est différente.
4
La plaque photographique est constituée d’une plaque de verre sur laquelle on a déposé une
émulsion de gélatine. Cette surface est rendue sensible à la lumière grâce a un mélange de
microcristaux de chlorure et de bromure d’argent. Sous l’action de la lumière, les ions argent
sont réduits en atomes d’argent, et les ions bromure sont oxydés en atomes de brome (effet
photochimique).
Voici les réactions chimiques correspondantes :
2Ag+ + 2e- 2 Ag
et
2Br - Br2 + 2 e-
Le développement, qui consiste en un traitement chimique, permet de révéler l’image par
amplification du nombre d’atomes Ag. Ces atomes se rassemblent en agrégats dont la taille
détermine la résolution spatiale, de l’ordre de 5 micromètres. La répartition spatiale de ces
agrégats forme une image visible que l’on stabilise en supprimant les ions argent non réduits,
à l’aide d’un fixateur.
On définit H l’exposition lumineuse de la surface sensible, ou fluence, comme étant le produit
de l’éclairement E par la durée d’exposition T :
H = E ×T
Remarque : Depuis sa création par N. Niepce en 1827, la plaque photographique a été très
utilisée en raison de sa facilité d’emploi et de sa capacité à stocker spatialement une très
grande quantité d’informations.
Dans la plupart des appareils photographiques actuels, le support de la surface sensible n’est
pas une plaque en verre, mais un film plastique en triacétate de cellulose.
5
II ONDES LUMINEUSES
II.1 Définition onde lumineuse :
Une onde est le phénomène de propagation d’une perturbation sans transport de matière.
Une onde lumineuse est une onde électromagnétique (sinusoïdale et périodique) dont la
longueur d'onde correspond au spectre visible, soit entre 400 et 750 nm environ.
L'onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les rayonnements
électromagnétiques ; elle est associée à la notion de photon.
II.2 Caractéristiques de l’onde :
Le champ électrique E s’exprime par l’expression :
 t X
E = A cos 2π  −
 T λ

 

A est l’amplitude.
λ est la longueur d’onde d’une période spatiale dans le vide ou dans l’air
T est la période temporelle, soit l'inverse de la fréquence
t X
la phase est définie par : 2π  −  . (Elle joue notamment un rôle déterminant
T λ 
dans le phénomène d’interférence.)
l’intensité lumineuse correspond au carré de l’amplitude d’une onde
Remarque : lorsque nous voyons nous percevons en réalité l’intensité et non l’amplitude de
l’onde.
6
Figure 1 Représentation d'une onde lumineuse
II.3 Propagation :
L'onde électromagnétique se propage en ligne droite dans un milieu homogène et isotrope.
Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction. Si il y a changement de milieu, on
observera un phénomène de réflexion et de réfraction.
II.4 Diffusion et diffraction de la lumière :
II.4.a Diffraction de la lumière :
C’est un italien F.Grimaldi qui a observé et étudié pour la 1ère fois la diffraction de la lumière
vers les années 1660. Il a observé que contrairement aux prévisions de l’optique géométrique,
les variations d’éclairement au voisinage de l’ombre d’un diaphragme ne sont pas brutales
mais présentent des oscillations.
On peut définir la diffraction comme étant le phénomène d’éparpillement de la lumière que
l’on observe lorsqu’une onde lumineuse est matériellement limitée.
En pratique, on met en évidence cet éparpillement en éclairant une fente suffisamment fine
avec un faisceau lumineux cylindrique issu d’un laser.
Sur un écran on observe alors un étalement de la lumière dans une direction perpendiculaire à
celle de la fente.
7
Figure 2 Le phénomène de diffraction de la lumière1
II.4.b Diffusion :
Lorsqu'une onde rencontre un atome, elle se diffuse sur celui-ci, elle change de direction.
On distingue différentes diffusions :
la diffusion Rayleigh, dite « diffusion électronique », au cours de laquelle l'onde ne
change pas de longueur d'onde
la diffusion Raman qui est une diffusion électronique avec diminution ou
augmentation de longueur d'onde
la diffusion Compton, dans le cas des rayons X diffusant sur des atomes légers, au
cours de laquelle la longueur d'onde augmente.
Source
( Oeil )
Rayons lumineux provenant
de l’éclairage
Rayons lumineux résultant
de la diffusion de la lumière
Objet diffusant la
lumière
Figure 3 Le phénomène de diffusion
1
http://perso.orange.fr/physique.chimie/TS_Physique/Physique_5_LA_LUMIERE_MODELE_ONDULATOIRE.
htm
8
III LE LASER
III.1 Le faisceau laser :
Le laser est utilisé en holographie pour ses propriétés de cohérence (spatiale et temporelle)
permettant à l’onde de référence et à l’onde objet (issu de cette source de lumière) d’interférer
dans de bonnes conditions.
Figure 4 Schéma d'un laser He-Ne
Deux types de laser sont principalement utilisés en holographie :
Le laser à émission continue ou laser à gaz :
Selon la nature du gaz, la longueur d’onde varie.
Exemple : le laser He-Ne (hélium néon) émet dans le rouge (lambda = 0.6328 pico mètre) et a
une puissance de l’ordre de 7 milliwatts.
Cette source de lumière est caractérisée par une grande cohérence temporelle et spatiale ainsi
qu’une grande intensité lumineuse qui est continue dans le domaine du visible.
Les lasers du type He-Ne, de part leurs caractéristiques, sont ainsi couramment utilisés dans
les montages d’optique.
9
les laser pulsés :
Ce sont des lasers à rubis ou laser à ions néodyme qui émettent des impulsions de lumière de
durées très brèves.
III.2 Cohérence temporelle et spatiale :
On peut représenter les propriétés d’un laser avec une excellente approximation par une onde
électromagnétique monochromatique plane et polarisée rectilignement, d’où l’expression du
champ électrique :
( (
))
rr r
r
E = E m exp − i ωt − k .r e
Avec µ = ω 2π ~ 1014 Hz, k = ω c , Em ~ 107 V/m lorsque la puissance est de l’ordre du
Watt.
Dans le cas typique d’un laser He-Ne pour lequel la largeur spectrale ∆µ est égale à 1400
MHz le rapport ∆µ µ vaut ~ 3*10-6 d’où la longueur de cohérence temporelle :
Lt= c/ ∆µ ~ 20 cm .
La cohérence spatiale est évaluée à partir de la divergence du faisceau ( ϑ ~ 1’) .
Elle est grande car la largeur de cohérence spatiale du faisceau à la sortie du laser est :
Ls= λ ϑ ~ (0,6.10-6)/(3.10-4) ~ 2 mm.
Remarque : en utilisant un détendeur de faisceau de grandissement transversal Gt=10 la
largeur de cohérence utilisable est 2 cm ce qui est largement suffisant pour la plupart des
objets dont on forme l’image en éclairage cohérent.
10
III.3 Intensité d’un faisceau laser :
La répartition de l’intensité lumineuse de l’onde émise par un laser, dans un plan
perpendiculaire à la direction de propagation, n’est pas rigoureusement uniforme, mais varie
en réalité selon une loi de Gauss :
I( ρ )=I(0).exp(-2 ρ ²/ ω ²)
ρ étant la coordonnée radiale dans ce plan de front et ω une longueur appelée le rayon de la
section du faisceau dans le plan considéré.
Remarque : l’intensité du rayonnement associé au faisceau issu d’un laser courant de faible
puissance tel qu’un laser He-Ne de 1mW est considérable. D’où la nécessité de bien protéger
ses yeux lors de manipulations.
11
IV INTERFERENCES
Le phénomène d’interférence se produit lorsque plusieurs ondes lumineuses se rencontrent.
Lorsque deux ondes interfèrent, les ondes s'additionnent. Si les ondes sont en phase, alors la
résultante est une onde (non nulle), alors que si les ondes sont en opposition de phase, alors la
résultante est nulle. Tous les déphasages intermédiaires peuvent également exister.
I1
I2
I
Onde 1
Interférence
Onde 2
Figure 5 Interférence de deux ondes lumineuses en phase.
I1
Onde 1
I
Interférence
I2
Onde 2
Figure 6 Interférence de deux ondes lumineuses en opposition de phase.
On peut représenter mathématiquement ce phénomène :
Soit un point M de l’espace où interfèrent deux ondesψ 0 etψ R .
ψ 0 étant l’onde que l’on veut mémoriser, ψ R une onde de « référence ».
12
La vibration résultante est :
A(M)= A0 (M) + AR (M)
Si l’on interpose un récepteur photographique, l’intensité en ce point sera :
I(M)=[ A0 (M)+ AR (M)].[ A0 (M)+ AR (M)]
Avec A0 (M) = a 0 (M).exp( i ϕ 0 (M))
Soit en se souvenant que a 0 et ϕ 0 sont des fonctions de M,
A0 (M)= a 0 .exp (i ϕ 0 )
AR (M)= a R .exp (i ϕ R )
I(M)= a 0 ²+ a R ²+ a 0 a R .exp( i.( ϕ R - ϕ 0 ))+ a 0 a R .exp.(i.( ϕ 0 - ϕ R ))
Après traitement convenable de la plaque, on obtiendra un enregistrement dont la
transmittance en amplitude T (M) sera proportionnelle à l’intensité :
T (M) =K (A+B. (exp i ( ϕ R - ϕ 0 ) + exp –i ( ϕ R - ϕ 0 ))
Avec A = a 0 ²+ a R ²
Et B = a 0 . a R
Cet enregistrement de phénomènes d’interférence est appelé hologramme. Il nous permet de
recréer une infinité de sources convenablement réparties en amplitude et en phase.
Donc, dans le cas des hologrammes, il faut créer une interférence entre les ondes de chaque
point provenant de l’objet dont on veut les informations et une onde de référence. Pour avoir
une relation de phase bien déterminée, il faut que la même source fournisse l’onde de
référence et l’onde diffusée par l’objet.
13
Remarque : afin d’obtenir des franges d’interférence qui permettront une observation
ultérieure de l’hologramme, il est nécessaire de réaliser l’exposition en chambre noire avec
une source ponctuelle d’ondes monochromatique en phases.
Ainsi lorsque l’on étudie le phénomène pour une seule onde provenant d’un seul point de
l’objet, on peut écrire le champ arrivant sur un point de la plaque photographique par une
formule de la forme :
ET = E R + E t
ET : Champ total
E R : Champ de référence
E t : Champ de l’onde que l’on veut étudier
L’intensité est égale au carré de l’énergie lumineuse d’où :
I= ( ET ) ²
I= ( E R + Et ) ²
I= E R ²+ Et ²+2 E R Et
Où le produit E R E t provenant de l’interférence créée contient l’information sur la phase mais
aussi sur l’amplitude.
Remarque : la plaque n’enregistre que la moyenne temporelle de l’interférence qui contient
l’information sur la phase.
14
V L’HOLOGRAPHIE ACOUSTIQUE
L’Holographie acoustique est un procédé de constitution d’un hologramme dans l’eau. Il est
basé sur la mécanique des ondes.
On utilise deux sources d’ondes en phase. Ces sources d’ondes sont des émetteurs sonores,
plongés dans le liquide, reliées au même générateur d’ondes. (Cohérence ?) Elles envoient
deux faisceaux semblables, donc de même fréquence et en phase, en continu. Les émetteurs
sont tournés vers la surface, à quelques centimètres de celle-ci, et sont légèrement espacés
l’un de l’autre. Pour induire un déphasage, on insère l’objet dont on souhaite constituer
l’hologramme sous la surface, dans le faisceau d’un des émetteurs qui devient alors le
faisceau objet.
Le changement de milieu induit un changement de vitesse de propagation des ondes, et donc
un déphasage. L’autre faisceau, appelé faisceau de référence, va servir à produire les
interférences. Ainsi, puisque toutes les propriétés optiques des ondes intervenant dans la
constitution d’un hologramme sont vérifiées en mécanique, il sera possible, dans cette
configuration de recréer un hologramme dans l’eau. Il est rendu observable par simple
éclairage ponctuel de la surface de l’eau.
Remarque : nous choisirons des ondes de hautes fréquences, des ultrasons, car ceux-ci se
propagent plus facilement dans l’eau.
15
Figure 7 Schéma de constitution d'un hologramme acoustique
Remarque : Ce schéma est bien sur théorique, en pratique, la constitution d’un hologramme
acoustique est très difficile, elle nécessite des hauts niveaux énergétiques et est quasiment
inobservable à l’œil nu dans des conditions expérimentales.
16
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VI PROPRIETES DE L'HOLOGRAMME
Lorsque nous observons un hologramme nous voyons un objet en relief qui vient du fait que
c'est la totalité du front d'onde réfléchi (ou transmis) par l'objet qui est restitué. Quelque soit le
point de vue de l’observateur, on renvoie le front d’onde tel qu’il serait si l’objet éclairé était
présent.Chaque région de l’hologramme recueille une information spécifique à l’angle de
prise de vue correspondant. Et chaque portion contribue ainsi à restituer l’image sous un
certain angle de vue, d’où un effet de parallaxe.
Figure 8 Processus de la vision d'un hologramme
Remarque : si on coupe un hologramme en deux, on obtient deux hologrammes complets. En
effet, chaque millimètre carré d’un hologramme contient toute l’information émise par
l’image selon un point de vue particulier.
Cette propriété spectaculaire des hologrammes amène à voir l’objet holographié sous tous les
angles. C’est pourquoi, en se déplaçant devant l’hologramme, on a l’impression que l’objet
bouge.
Figure 9 Effet de la brisure d'un
hologramme
17
VII REALISATION PRATIQUE D'UN HOLOGRAMME
L’enregistrement exige un peu de soin car la restitution ést immédiate à partir du moment où
l’on dispose d’un faisceau de lumière de caractéristiques identiques à l’onde de référence.
VII.1 1. Le matériel nécessaire.
Pour réaliser un hologramme, plusieurs éléments sont nécessaires. Le point fondamental pour
l’enregistrement du phénomène d’interférence, est de posséder une source (le laser) dont la
longueur de cohérence est suffisante devant les dimensions géométriques de l’objet à
holographier.
Remarque : Les plaques doivent être à grain très fin pour que le récepteur photographique
enregistre au mieux les interférences. Différentes marques proposent des films ou des plaques
offrant des résolutions de 2000 à 3000 traits par millimètre.
Un système doit nous permettre de diviser l’onde en deux parties, l’une qui éclaire l’objet,
l’autre qui constitue l’onde de référence. Pour cela, on peut utiliser la division du front d’onde
(biprisme, miroirs, ou autres), mais il est plus facile d’utiliser un diviseur d’amplitude tel
qu’une lame semi réfléchissante appelée « séparatrice ».
Seront également nécessaires : deux lentilles de courte distance focale, deux miroir, un
support d’hologramme et un nécessaire de développement.
Il faut fixer tous les éléments durant la prise de vue afin de bien enregistrer le phénomène
d’interférence, pendant un temps de pose plus ou moins long (fonction de la puissance de la
source, de la dimension des objets et de la sensibilité du récepteur).
Remarque : les déformations du montage doivent être inférieures à la longueur d’onde. Pour
cela, il faut prévoir des supports très stables et rigides, isolés le plus possible des vibrations
mécaniques. La solution adoptée peut être une table métallique massive posée sur des
coussins pneumatiques.
18
VII.2 2. Les différents montages possibles.
Selon que l’objet à holographier est transparent ou opaque, il faut utiliser un montage par
transmission ou par réflexion.
VII.2.a Holographie par transmission.
Pour obtenir des franges d’interférences bien contrastées, il faut que l’amplitude des deux
faisceaux soit égale. Comme l’objet n’est pas absorbant, il suffit de séparer le faisceau initial
en deux parties égales à 50%, à l’aide d’une séparatrice ou d’un dispositif approprié.
Figure 10 Constitution d'un hologramme par transmission
Avec :
S=lame séparatrice
M1=M2=miroirs
H=plaque photo
O=objet transparent
19
VII.2.b Holographie par réflexion.
Si l’objet est opaque, le montage précédent ne convient pas ; on ne verrait que l‘ombre de
l’objet, ou plutôt son profil, celui-ci étant éclairé « de dos ».
On va donc réaliser un montage permettant d’éclairer « de face » et/ou « de trois quart »
l’objet à holographier.
Figure 11 Constitution d'un hologramme par réflexion
Avec : S, S’ = lames séparatrices
M1=M2=M3=miroirs
H=plaque photo
O=objet opaque
20
Il faut envoyer dans le ou les faisceaux objet plus de lumières que dans le faisceau de
référence car lors de la réflexion sur l’objet il y a une grosse perte de lumière. Ce problème
peut être résolu grâce à une séparatrice donnant des faisceaux inégaux ou grâce à un écran
absorbant.
VII.3 Réalisation de l'expérience
Figure 12 Montage
Pour réaliser ce montage, les différents éléments doivent être positionnés dans l'ordre suivant
tout en évitant de faire un montage trop « compact » :
- la source laser est placée sur une extrémité de la table métallique, le support de plaque H
prés de l'extrémité opposée.
- l'objet est placé le plus prés possible (environ 10 cm) et le plus au centre possible de la
plaque photographique.
21
- On introduit sur le trajet du faisceau lumineux à une vingtaine de centimètres de la source, la
lame séparatrice S. On dispose sur les faisceaux réfléchis et transmis, les miroirs M1 et M2 de
façon à éclairer le centre de la plaque photographique pour le faisceau de référence et l'objet
pour le faisceau réfléchi.
- les distances SM1H et SM2H sont approximativement égales (au centimètre prés)
- l'angle β est le plus petit possible.
- les lentilles sont introduites en dernier après avoir défini le trajet du faisceau laser sans
lentille. On centre ensuite ces lentilles sur les faisceaux.
- On place L0 pour que le faisceau qui éclaire l'objet ait une section sensiblement égale à celle
de l'objet (et pas plus!) pour gagner en intensité diffusée par l'objet.
-On place LR pour que le faisceau de référence éclaire toute la plaque.
VII.3.a Mesure des intensités
On mesure, au niveau de la plaque photographique et en l'absence de toute autre lumière que
le laser, l'intensité lumineuse de chacun des faisceaux, l'autre étant obturé (pour cela, mesurer
aux bornes de la cellule les intensités i0 et iR (en mA ou en micro A) qui sont proportionnelles
a I0 et IR) :
Faisceau de référence seul : IR
Faisceau diffusé par l'objet seul : I0
A l'aide de la lame atténuatrice circulaire, on règle l'intensité IR pour que IR=I0.
On en déduit donc le temps de pose t.
VII.3.b Enregistrement de l'hologramme
Une fois tous ces réglages effectués, on obstrue le faisceau laser, et dans le noir total on ouvre
la boîte contenant la plaque holographique. Il faut alors faire attention à bien repérer le coté
légèrement granuleux de la plaque (coté sensible).Ensuite, on place la plaque dans son
support, coté sensible vers l'objet.
On laisse passer le faisceau laser pendant le temps t déterminé précédemment.
Il ne nous reste plus qu’à mettre la plaque dans le support (panier) pour développer. Pui,
toujours dans le noir on révèle (5 min), rince, fixe (5 min) et rincer à nouveau (5min).
22
On peut alors rallumer les lumières et placer la plaque photographique, grâce a son support,
dans le séchoir électrique afin qu’elle sèche.
VII.3.c Restitution de l'hologramme
La plaque étant complètement sèche (plus une seule goutte), on retire du montage précédent
l’objet et le faisceau I0. On replace ensuite la plaque dans son support sur la table et on
observe à travers cette même plaque photographique l'emplacement de l'objet.
Il faut alors déplacer notre regard, et après un certain temps d’adaptation on parviendra, en
principe, à distinguer le relief de l'image obtenue (hologramme).
Nous avons réalisé la manipulation ci-dessus expliquée lors de travaux pratiques de la filière
physique fondamentale. Voici ci-joint la photographie de notre montage.
Figure 13 Matériel de la manipulation
23
VIII LES APPLICATIONS
L’holographie présente plusieurs avantages exploitables :
VIII.1
La précision des détails
D’une part, l’holographie est capable d’enregistrer avec plus de précision les détails d’un
objet qu’une photographie. Par exemple, pour photographier un objet microscopique, on
utilise un microscope pour prendre une photo. On ne peut pas réobserver l’objet après la prise
de vue quand on a démonté le dispositif. Avec des hologrammes, on peut enregistrer
l’échantillon et l’observer après aussi longtemps que l’on veut en n’observant que
l’hologramme enregistré.
VIII.2
La restitution de la 3D
À part les modèles numériques par informatique, on ne sait pas bien représenter la 3D. Les
stéréogrammes existent mais ils font mal aux yeux ainsi que tous les procédés dérivés de la
stéréophotographie.
Un stéréogramme est une image en 3 dimensions ou l'on peut apercevoir une forme
dissimulée dans un décor. C'est une image calculée par ordinateur. On part d'une image à
motif comme du papier peint par exemple, et on déforme légèrement le motif sur l'ordinateur
d'une façon particulière et qui dépend du relief que l'on cherche à faire apparaître.
Figure 14 Stéréogramme d'un cœur en relief
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VIII.3
Hologrammes en couleur
Récemment, des chercheurs ont mis au point un procédé qui consistait à enregistrer des
hologrammes en couleur. En effet, en superposant trois hologrammes réalisés avec des lasers
de couleurs différentes, on peut (à l’aide de plaques recouvertes d’émulsions PFG-03C)
enregistrer des hologrammes en pleine couleur. Cela est permis par une gélatine sensible aux
trois couleurs : vert, 457nm (laser argon), bleu, 514nm (laser argon) et rouge, 633nm (laser
hélium néon). Ces hologrammes sont utilisés par les bijoutiers, les horlogers, qui préfèrent
mettre en vitrine un hologramme des objets qu’ils vendent plutôt que les objets eux-mêmes.
Figure 15 Hologramme d'un collier
Les constructeurs de voitures font aussi faire des hologrammes de leurs modèles afin de les
exposer sans vraiment les exposer dans des salons automobiles. Ces hologrammes sont
relativement grands mais faute de moyens, réalisés à partir de plusieurs petits hologrammes
de taille raisonnable accolés les uns aux autres.
Il est également arrivé que des chercheurs enregistrent l’hologramme d’un pont sur un seul et
même film. Dans ces cas là les conditions sont très difficiles : il doit faire nuit, aucune voiture
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ni piéton ne doit passer dans les alentours aux risque de faire des vibrations et de se prendre le
laser dans les yeux, et le film doit être énorme.
Remarque : le laser utilisé dans ces cas là est un laser à argon, émettant dans le vert et à forte
puissance. Toute la vallée est inondée de la lumière du laser pendant l’enregistrement.
VIII.4
Effets spéciaux
L’industrie du spectacle utilise beaucoup les hologrammes pour faire des effets spéciaux lors
de concerts.
Enfin les hologrammes peuvent n'être employés que pour leur côté surprenant et esthétique.
En effet, leur aspect surnaturel est saisissant.
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VIII.5
L’holographie dans la sécurité
Les hologrammes ne sont quasiment pas copiables car, afin de reconstituer l’hologramme de
l’hologramme, il faudrait se replacer dans des conditions semblables d'exposition (respect de
la taille et de la forme de l’objet).
Ainsi, il est intéressant d’exploiter cette propriété pour certifier la conformité de certains
objets tels que les billets d’euros (filigranes) et les cartes bancaires.
Filigranes de billets
Les avantages sont nombreux :
- réduction des risques de falsification :
- la surveillance des accès : badges holographiques.
- l'archivage : en dentisterie, par exemple, des stockages des moules.
- le remplacement des optiques classiques par des optiques holographiques.
- une capacité de traitement beaucoup plus rapide est prévisible à plus long terme dans les
mémoires optiques, grâce au décodage à la vitesse de la lumière.
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VIII.6
L’Holographie dans l’informatique : le stockage à haute densité
De nos jours le stockage de données est primordial en informatique. Or, les disques durs
actuels sont considérés comme peu rentables. Effectivement, ils sont animés par un moteur et
ne disposent que d'une seule tête de lecture, ce qui réduit la capacité et la vitesse de
distribution des données.
Le stockage optique en Holographie est bien plus dense. Il se fait par interférence de rayons
lumineux dans un cristal. Les informations sont alors stockées en volume, plan par plan dans
un cristal (le niobate de lithium).
Remarque : Alors que nos meilleurs disques durs actuels atteignent des capacités de stockage
de 150 méga-octets par centimètre carré, le stockage holographique, quant à lui, permettrait
d’aller jusqu à 10000 méga-octets par centimètre cube.
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C
CO
ON
NC
CLLU
USSIIO
ON
N
La réalisation d'un hologramme est principalement basée sur la séparation du faisceau LASER
en faisceau de référence et faisceau objet, et donc sur les propriétés de l'onde lumineuse issue
du LASER comme nous l’avons vu précédemment.
Mais sa création reste une expérience délicate, un grand nombre de facteurs pouvant
provoquer un "échec" de l'expérience tel que des composants mal agencés, subissant des
vibrations (aussi faibles soient-elles), trop de lumière, un temps d'exposition trop court ou trop
long... L’expérimentation demande beaucoup de précision pour un résultat meilleur.
Cependant l’holographie possède de nombreuses applications dans divers domaines, c'est une
science qui se heurte à de nombreux obstacles.
On y emploie des réactifs toxiques, sur des plaques sensibles qui, fabriquées en petite série,
peuvent atteindre des prix inabordables : un hologramme décoratif coûte environ 22800 € par
mètre carré. Malgré le coût du matériel assez élevé (un LASER coûte au minimum 2000 €),
les hologrammes se multiplient et apparaissent de plus en plus tant dans le domaine de la
recherche et du développement que dans l’art,…
C'est aussi une révolution qui s'amorce avec l'arrivée des premières mémoires holographiques
aux capacités de traitement considérables.
L’holographie nous réserve donc d'autres nouvelles découvertes et applications, ce qui nous
en fait une science d'avenir .
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BIBLIOGRAPHIE
José-Philippe PEREZ, « Optique Fondements et Applications » (2000)
Edition DUNOD
Eugène HECHT, « Optique » (2005) Edition PEARSON Education
www.tpe-holographie.com
Wikipedia
Site du musée de l’holographie
Cahier TP de physique fondamentale
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