l`holographie

L’HOLOGRAPHIE
Dans le cadre du projet Polydaire pour Michel FEYS
Par BROUYERE Sara, EL-MOURABIT Anouar, GOKSEL Mattias et TOKAM
Adams
MA1- Ecole Polytechnique de Bruxelles 2012-2013
Introduction
Le terme holographie vient du grec ‘’holos’’ : total et ‘’graphein’’ : écriture qui littéralement se traduit par
‘’écriture totale‘’. C’est un procédé qui permet l’impression sur une plaque 2D des caractéristiques
visuelles d’objet en 3 dimensions, là où à titre de comparaison la photographie se limite à une impression
2D. Ceci se fait en tenant compte à la fois de l’amplitude des ondes incidentes et de leur phase (non
considérée en photographie).
FIGURE 1 : HOLOGRAMME
C’est un physicien hongrois, Dennis GABOR, qui publia en 1948 sa découverte qu’on appelle aujourd’hui
l’holographie et pour laquelle il reçut le Prix Nobel en 1971, lorsqu’on se rendit compte des applications
possibles de ce phénomène. Gabor montra que lorsqu’un ‘‘faisceau cohérent d’ondes lumineuses de
référence’’ rencontre la même lumière dispersée par un objet, alors l’information concernant l’amplitude
et la phase de la lumière diffractée peut être enregistrée au moyen de l’interférométrie, sur un plan
d’interférences qui est ce qu’on appelle la plaque (ou film) holographique, cette dernière permettant de
de visualiser au travers d’elle une image virtuelle de l’objet.
Avant d’aborder le sujet, il s’avère intéressant de souligner la différence essentielle entre la stéréoscopie,
qui est entre autres la 3D des télévisions récentes, et un hologramme. La 3D sur votre télévision
fonctionne grâce au principe de polarisation. Prenons le simple exemple de la corde fixe à une extrémité
et libre de l’autre, nous pouvons la faire osciller de manière verticale mais rien n’empêche de la faire
osciller de manière oblique. Grâce à la qualité ondulatoire de la lumière, ce principe s’applique aussi à
celle-ci. On appelle alors polarisation la direction d’oscillation.
FIGURE 2 : EFFET D'UN POLARISEUR
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Ainsi en utilisant des polariseurs, une sorte de filtre qui ne laissera passer que les ondes polarisées dans
une certaine direction, il est possible de concevoir un projecteur 3D. L’image destinée à votre œil gauche
est polarisée dans un sens et pour l’autre dans un autre sens, ce qui donne ainsi lieu à un effet de
profondeur lorsqu’on porte une paire de lunettes adéquate dotée aussi de polariseurs.
FIGURE 3 : PRINCIPE DE LA STÉROSCOPIE
Il faut bien être conscient que le terme « 3D » utilisé dans l’industrie pour cette technologie est
clairement un abus de langage. Même si le téléspectateur change d’angle de vision par rapport à son
écran, l’angle de vision montré par son écran lui ne change pas. Cela définit la frontière avec un
hologramme qui peut être comparé à une fenêtre à travers laquelle on verrait un objet en relief (vraie
3D).
Ci-après viennent des explications afin que l’holographie (et tous les termes ci-dessus) ne soient plus un
secret pour toi !
Montage
FIGURE 4 : DISPOSITIF HOLOGRAPHIQUE
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FIGURE 5 : DISPOSITIF HOLOGRAPHIQUE
Le Laser
Pour holographier un objet, une source de lumière monochromatique et cohérente est nécessaire. Le laser
remplit ces conditions !
Le mot LASER est l'acronyme anglais pour : « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», ce
qui se traduit par : « amplification de lumière par émission stimulée de rayonnements».
Monochromatique signifie ‘’une seule fréquence’’ ce qui veut dire que toutes les ondes envoyées par un
laser ont la même fréquence f ou, puisque λ=c/f, la même longueur d’onde.
Il faut savoir que le soleil nous envoie de la lumière de ‘’toutes les couleurs’’ (raison pour laquelle elle est
appelée lumière blanche) c’est-à-dire de plein de longueurs d’ondes différentes. Le laser est une
technologie qui génère de la lumière avec une seule de ces couleurs (1 couleur = 1 fréquence = 1
longueur d’onde !).
En plus d’être monochromatique, le laser doit être cohérent. Cette propriété compliquée est caractérisée
par la longueur de cohérence du laser qui est définie comme la longueur moyenne sur laquelle l’onde a
une fréquence constante. En effet il faut se dire qu’un laser fournissant de la lumière avec une longueur
d’onde constante tout le temps est très difficile à réaliser, et plus on s’en approche, plus le laser coûte
cher. Notre laser possède une longueur de cohérence suffisante, donc on peut dire que les ondes qu’il
génère sont cohérentes.
Si le déphasage entre deux ondes est faible par rapport à la longueur de cohérence (ou plus exactement
à son inverse, qu’on peut appeler ‘’fréquence de cohérence’’), alors il sera possible d’obtenir des
interférences quasi constructives. Mais s’il devient trop important, on a un mélange de fréquence trop
important qui ne permet pas l’observation de franges régulières.
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FIGURE 6 : COHÉRENCE
La lentille
Une lentille est un élément, traditionnellement en verre, destiné à faire converger ou diverger la lumière.
Son rôle ici sera de faire diverger le faisceau provenant du laser pour éclairer la plaque et l’objet de la
manière la plus totale. C’est le phénomène de réfraction de la lumière (loi de Snell-Descartes) qui explique
cela : le passage de la lumière d’un milieu à l’autre provoque un changement de vitesse des fronts d’onde
et la forme du faisceau change.
FIGURE 7 : LENTILLE DIVERGENTE
La plaque holographique
Pour enregistrer une image holographique, on utilise une plaque holographique. Il s’agit en fait d’un film,
semblable à ceux utilisés en photographie mais avec un grain beaucoup plus fin et donc une bien
meilleure précision. Différence supplémentaire avec la photographie, le film holographique n’enregistre
pas directement une image mais une ‘’information codée’’ sous forme de franges, faite d’une multitude
de minuscules taches sombres et claires, d’intensité variable résultant de l’interférence entre la lumière
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incidente et réfléchie. Dans notre cas, des plaques de verres recouvertes de résine avec les mêmes
propriétés que celles du film sont utilisés.
Principe
Phénomène d’interférence
Lorsque deux ondes de même type (sonore, lumineuse, etc.) se rencontrent, elles interagissent (ou
interfèrent) entre elles : c’est le phénomène d’interférences. Il peut y avoir interférences constructives ou
destructives, suivant à quelle ‘’valeur de leur sinusoïde’’ elles se rencontrent. La résultante de ce
phénomène donne lieu à des franges d'interférences dont la forme dépendra des conditions de
superposition des ondes. Ci-dessous l'illustration de l'expérience des Fentes de Young que vous
connaissez déjà bien.
FIGURE 8 : EXPÉRIENCE DE YOUNG
Enregistrer une image 3D
La première étape afin d’holographier un objet consiste en l’enregistrement de l’amplitude et la phase
des ondes issues de l’objet qui a été illuminé. Ce sont ces informations qui permettent la caractérisation
dans l’espace 3D de l’objet. Ces ondes dispersées par l’objet sont sa propre ‘’empreinte’’, sa ‘’carte
d’identité’’. Toute l’idée est alors d’arriver à stocker cette information sur l’objet de manière permanente,
et de pouvoir la rendre manifeste, visible. L’interférométrie est une technique qui permet l’acquisition de
l’information totale d’une onde (amplitude ET phase) sous la forme d’intensité lumineuse. L’expérience
des fentes de Young est de l’interférométrie! En d’autres mots, l’holographie consiste à appliquer le
principe des interférences à, non pas deux points comme Young, mais une infinité de points qui
constituent notre objet.
La plaque holographique enregistrera les interférences entre la lumière de référence( celle du laser) et
celle réfléchie par l’objet. La plaque présentera donc des taches sombres ou claires en fonction de
l’exposition (quantité de lumière qu’elle reçoit). Chaque groupe de taches contient l’information
concernant tout l’objet, vu sous un angle à chaque fois différent. Voilà pourquoi, lorsqu’on se déplace
devant un hologramme, comme devant une fenêtre, on voit l’objet successivement sous différentes
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perspectives. C’est aussi pourquoi, quand on brise un hologramme en morceaux, on continue de voir tout
l’objet à travers chaque morceau. On appelle cela la propriété de redondance de l’holographie.
FIGURE 9 : ENREGISTREMENT
Les vibrations
Éviter toute vibration est nécessaire lors de la réalisation d'un hologramme. Comme nous le verrons par la
suite, la plaque holographique enregistre une information codée de l'image, sous forme de franges. Ces
franges comme on l'a vu résulte des interférences entre onde incidente et onde réfléchie par l'objet. S'il
n'y a pas stabilité lors de l'enregistrement, les vibrations(les objets bougeant) peuvent engendrer des
décalages dans les phases des ondes impliquant ainsi des interférences non constructives, et donc des
images holographiques quasi floues ou inexistantes.
FIGURE 10 : SUPERPOSITION DES FRANGES
La reconstruction
Comment reconstruire, à partir de franges d’interférences en 2 dimensions, l’image en 3 dimensions de
l’objet ? Lorsqu’on éclaire l’hologramme à l’aide de lumière blanche, chaque frange se comporte comme
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une sorte de mini-projecteur : la lumière « émise » par chacun d’eux interfère avec celle de tous ses
voisins, rétablissant les interférences constructives et destructives mémorisées dans l’hologramme.
L’ensemble de ces interférences reconstitue le front d’ondes envoyé par l’objet sur la plaque
holographique lors de la prise de vue.
Développement chimique
Une fois la plaque exposée au rayonnement lumineux, il faut la traiter :
D’abord il est nécessaire développer les zones sombres et claires correspondant à la quantité de lumière
reçue (informations sur l’objet), ceci se fait à l’aide d’un produit développeur. Ensuite, un produit fixateur
permet de ‘’figer’’ les informations dans la plaque liées à l’objet afin qu’on puisse observer l’hologramme
dès qu’on illumine la plaque. Enfin, on peut éliminer les traces de calcaire (taches sur la plaque) à l’aide
d’un agent mouillant ou liquide vaisselle traditionnel.
FIGURE 11 : DIFFERENTS BAINS CHIMIQUES
Applications
L’holographie permet de réaliser des contrôles non destructifs et est à l’origine de techniques de mesure
sans contact direct avec l’objet, ce qui est d’un grand intérêt pour dans les filières industrielles où l’on
fabrique des objets coûteux : par exemple dans l‘automobile ou l’aéronautique. L’on peut visualiser les
déformations subies par un objet/une pièce en comparant les hologrammes obtenus avant et après la
déformation. L’holographie est aussi très utilisé pour vérifier l'authenticité d'un objet, car il est presque
impossible de faire la copie d'un hologramme, pour cela faudrait connaître tous les angles, et les
intensités, le chemin optique, etc. Enfin, on retrouve les hologrammes dans le domaine de l’art
également.
FIGURE 12 : HOLOGRAMME SUR UN BILLET
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