rapport ae

5/15/2018 Rapport AE - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/rapport-ae 1/35

Activité expérimentale Physique

Holographie optique

Raphaël VENTRE et Sara HAMMOUDOU

Encadré par Robert PAPOULAR



Plan

Résumé – Summary

Introduction

1. Histoire et principe de l'holographie1.1. Histoire de l’holographie

1.2. Principe de l’holographie

2. Comment faire pratiquement un hologramme ?2.1 Obtention d’une source adaptée

2.2 Montage par transmission

2.3 Contrôle de l’angle entre les deux faisceaux qui interfèrent

2.4 Minimiser les vibrations parasites lors de l’enregistrement

2.5 Enregistrement et développement de l'hologramme

2.6 Résultats

3. Applications de l'holographie

Conclusion

Bibliographie

Annexes



Résumé

Ce rapport présente les conditions expérimentales et les résultats d'un TP visant à réaliser

des hologrammes en transmission, effectué lors d'un module d'activités expérimentales

Physique d'une durée de quatre jours à l'école Centrale (Laboratoire de physique

expérimentale). Il relate les différentes difficultés auxquelles on peut être confronté lors

d'une telle manipulation, ainsi que les conditions expérimentales nécessaires. Plus que ça, ce

rapport décrit une démarche expérimentale qui peut s'apparenter à une micro-expériencedans le domaine de la recherche, dans la mesure où nous étions dans une perpétuelle

discussion quant aux problèmes posés et aux solutions que l'on pouvait apporter.

Une partie théorique est exposée au début du document afin que le lecteur puisse avoir les

outils nécessaires pour aborder le problème. Nous abordons également quelques

applications de l'Holographie.

Summary

This report exposes the labwork we did during a physics tutorial who lasted 4 days at the

laboratory of experimental Physics, école Centrale Paris. Our goal was to realize holograms

in transmission. This document recounts the difficulties we have been dealing with, and the

experimental conditons required for such an expérience. In a certain way, this report

describes an expérimental approach which seem like a little expérience in research. Because

we were always discussing the problems we had to face, and the solutions we could propose.

At first, there is a part on the théory of holography, so every reader can get the tools heneeds to understand what is underneath holography. At the end, we also talk about some

applications of holography.

2



Introduction

Nous sommes deux étudiants de l’école Centrale Paris, Sara Hammoudou et Raphaël

Ventre, qui avons réalisé en 7 séances de 4 heures chacune, un hologramme d’une

pièce de deux euros grâce à un montage par transmission. Nous allons lors de ce

dossier vous présenter notre démarche scientifique, les différentes étapes de

l’élaboration de notre hologramme, et les difficultés majeures auxquelles nous avons

été confrontés, ainsi que les solutions que nous avons apportées.

Nous allons découper notre exposé en trois grandes parties. Dans une première,

essentiellement théorique, nous décrivons l’histoire de l’holographie, en détaillant les

dates clefs qui ont marqué l’histoire de l’holographie, puis toujours dans cettepremière partie nous expliquons le principe de l’holographie. Puis dans une

deuxième partie, nous abordons notre expérience même, en faisant le récit linéaire

des différentes étapes de notre expérimentation. Enfin la troisième partie est

consacrée aux applications pertinentes de l’holographie aujourd’hui qui sont comme

vous pourrez le constater nombreuses et variées.

Nous essaierons de détailler autant que possible le matériel que nous avons utilisé, et

nous vous informons que vous pourrez trouver à la fin du TP dans l’annexe, une

fiche sur la sécurité, et une fiche sur le matériel précis que nous avons utilisé.

Nous vous remercions de l’intérêt que vous portez à notre expérience et vous

souhaitant une bonne lecture, nous espérons que celle-ci vous donnera envie de

construire vous-même votre propre hologramme.

3



1. Histoire et principe de l'holographie

L’holographie est un domaine important de l’optique moderne. Les premiers hologrammesfurent réalisés par D. Gabor en 1948 alors qu’il travaillait à l’amélioration de microscopes

électroniques. Ces derniers étaient de piètre qualité due à la difficulté d’obtenir un fond

lumineux cohérent. Depuis l’invention du laser en 1960, plusieurs méthodes

d’enregistrement ont été développées et permettent d’obtenir des images tri-dimensionnelles

de qualité remarquable. Quoique spectaculaire, la réalisation d’images tri-dimensionnelles

n’est pas l’unique application de l’holographie. L’interférométrie a également bénéficié de

cette nouvelle technologie et permet maintenant de faire interférer des ondes enregistrées à

différents instants. Il est maintenant possible, par exemple, d’étudier les modes propres de

vibrations de surfaces complexes.

1.1. Histoire de l’holographie

Ce fut, en 1947 que le principe de l’hologramme fut réellement introduit par le professeur

britannique/hongrois Dennis Gabor , qui était alors à l’Imperial College of Science and

Technology de l’université de Londres. Il essayait de trouver une manière d’améliorer le

pouvoir séparateur du microscope électronique en réduisant l’aberration de sphéricité des

objectifs électromagnétiques. Pour plusieurs raisons, le but premier de Gabor ne fut pas

atteint, mais il remarqua pour la première fois que si le spectre de diffraction d’un objet et

l’information sur les phases pouvaient être enregistrés, l’image d’un objet pouvait être

reconstruite par une illumination cohérente du spectre de diffraction enregistré. Dennis

Gabor donna le nom de "hologramme" pour sa nouvelle technique, des mots grecs "holos",

qui veut dire "entier", et "gramma", qui signifie "message". Le développement de cette

technique a été freiné à l’époque car les sources lumineuses disponibles n’étaient pas

vraiment cohérentes.

En 1960, l’Américain Theodore Maiman mit au point le premier laser pulsé au rubis, qui

contrairement aux lasers continus que l’on utilise en holographie, émettent un pulse

d’énergie très élevé qui ne dure que quelques nanosecondes. Ceci permet de "geler" le

mouvement et permet donc de produire des hologrammes d’événements à haute-vitesse

comme une balle sortant d’un fusil ou encore, des êtres vivants.

En 1962, Emmeth Leith et Juris Upatnieks de l’université du Michigan réalisèrent, grâce à

leurs travaux de recherches sur le radar, que l’holographie pourrait être utilisée commemédia de visualisation en trois dimensions. Ils lurent en 1962 le rapport de Gabor et

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décidèrent "en toute curiosité" de recréer la technique de Gabor en utilisant un laser et une

géométrie "hors-axe" qu’ils avaient développée pour le radar. Les résultats obtenus furent

concluants : ils créèrent le premier hologramme de transmission d’un objet tridimensionnel

(un train et un oiseau). Ce type d’hologramme donne des images très claires et d’une grande

profondeur mais doivent être éclairés à l’aide d’un laser pour revoir l’image. Leurs travaux

ont mené à la standardisation du matériel utilisé pour la fabrication d’hologrammes.

Aujourd’hui il y a des milliers de laboratoires qui possèdent le matériel nécessaire. La

technique hors-axe développé par Leith et Upatnieks est encore à la base de tous les travaux

en holographie.

Toujours en 1962, Dr Yuri N.Denisyuk de l’Union Soviétique combina l’holographie avec les

travaux de photographie en couleur naturelle du gagnant du prix Nobel en 1908 Gabriel

Lippmann. Les travaux de Denisyuk débouchèrent en particulier sur la création del’holographie de réflexion qui permet notamment de voir les hologrammes en lumière

blanche.

L’année 1968 fut une des années marquantes de l’histoire de l’holographie. En effet, le

docteur Stephen A.Benton inventa les hologrammes de transmission visibles en lumière

blanche pendant ses travaux de recherche sur la télévision holographique pour les

Laboratoires de Recherche de Polaroid. Ce type d’hologramme pouvait être vu en lumière

blanche normale, ils créèrent des images de type "arc-en-ciel" utilisant les sept couleurscomprises dans la lumière blanche. La profondeur et la luminosité de ce type d’hologramme

attirèrent rapidement l’attention des artistes qui adaptèrent cette technique à leur art et qui

rendirent l’holographie encore plus présente auprès du public. L’invention de Benton fut

très importante car elle permit la production en masse d’hologrammes qui furent dès lors

utilisés abondamment en marketing, en imprimerie et par les banques.

Gabor Maiman Leith & Upatnieks Denisyuk

5

http://www.google.fr/imgres?q=upatnieks&um=1&hl=fr&rlz=1R2ADFA_frFR404&biw=1000&bih=379&tbm=isch&tbnid=DRBfplD0yk3JDM:&imgrefurl=http://tpe-holo.tk/&ei=-UGeTZrjOYiSswbO5PjmAQ&zoom=1

http://www.google.fr/imgres?q=maiman&um=1&hl=fr&rlz=1R2ADFA_frFR404&biw=1000&bih=379&tbm=isch&tbnid=xCX3sP9xK8vmLM:&imgrefurl=http://tpe-holo.tk/&ei=ykGeTYG5M4aytAb6w6HxAQ&zoom=1



1.2. Principe de l’holographie

1.2.1 Comment l’enregistrement indirect de la phase permet de créer

l’impression de profondeur ?

Lorsqu'on photographie un objet de façon classique, on enregistre sur une surface sensible

la luminosité des différents points de cet objet. Autrement dit, seule la puissance par unité de

surface des ondes lumineuses émises par cet objet est prise en compte.

On ne peut pas enregistrer la phase de la lumière. Aucune surface sensible (rétine, plaque

photographique, capteur à semi-conducteur, etc.) n'est sensible à la phase. Dans un

hologramme, on contourne cette difficulté en faisant interférer la lumière venant de la scène

avec un faisceau de référence de lumière cohérente. De telle manière, ce que l'on enregistre

sur la plaque photographique est une image interférométrique formée par des zones plus ou

moins lumineuses. Les zones les plus lumineuses seront celles dans lesquelles la lumière

venant de la scène et celle du faisceau de référence sont en phase. Cette luminosité dépendra

aussi de l'amplitude de la lumière venant de la scène.

L'hologramme ainsi enregistré et traité sera lu en l'éclairant avec un faisceau de lumière

monochromatique similaire à celui utilisé comme référence. L'hologramme laissera passer

plus de lumière aux endroits où l'amplitude de la lumière venant de la scène était plus grande et surtout là où la phase de cette lumière était proche de celle du faisceau de

référence. L'hologramme n'enregistre pas la phase de la lumière (c'est impossible), mais il

enregistre les endroits où la phase « était la bonne ». Ainsi, lors de la lecture, la phase de la

lumière qui sort de l'hologramme n'est pas identique à la phase de la lumière qui l'a

enregistré, mais elle est suffisamment proche pour que cette information de phase permette

de restituer la profondeur de l'objet et de recréer l'image réelle (au sens optique) de la scène.

1.2.2 Principe de l’enregistrement sur film holographique

Un film holographique a la propriété suivante : Avant révélation, son facteur de

transmission est lié à l’intensité lumineuse qu’il reçoit. Ainsi, si on fait interférer l’onde de

référence avec l’onde issue de la réflexion sur l’objet dont on veut faire l’hologramme, la

transparence du film sera fonction de la répartition d’intensité due à l’interférence de ces

deux ondes.

Appelons E l’éclairement reçu par la plaque photographique. Soit I 0 l’intensité incidente et I

l’intensité transmise. Le facteur de transmission T est défini par: T=I/IoOn définit la densité optique du négatif D par l’équation suivante:

6

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photographie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Luminosit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Phase_(onde)

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9tine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Plaque_photographique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_photographique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re_coh%C3%A9rente


http://fr.wikipedia.org/wiki/Interf%C3%A9rom%C3%A9trie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Monochromatique

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Information_de_phase&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Profondeur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image_(optique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Luminosit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Phase_(onde)

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9tine



http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_photographique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re_coh%C3%A9rente


http://fr.wikipedia.org/wiki/Interf%C3%A9rom%C3%A9trie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Monochromatique

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Information_de_phase&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Profondeur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image_(optique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photographie



D=log (1/T)

Si t est le coefficient de transmission en amplitude, alors:

T=t² et D=log(1/t²)

Si E est l’éclairement et τ le temps de pose, la plaque reçoit l’énergie W=E τ.

La figure suivante montre la courbe de noircissement (densité optique) de l’émulsion en

fonction de l’énergie reçue.

On remarque la présence d’une région rectiligne dite d’exposition normale. Pour notre

problème, c’est la relation existant entre l’amplitude transmise et l’énergie W reçue qui nous

intéresse. La courbe qui représente cette relation t=f(W) est représentée ci-dessous:

Il est primordial de rester dans la zone ou la relation entre t et W est linéaire, sinon la

transparence du film ne serait plus proportionnel à l’intensité reçue et l’hologramme serait

déformé. Nous verrons plus tard comment faire pour éviter de sortir de cette zone ou la

relation est linéaire. Nous allons à présent voir le principe du développement et du

blanchissement du film à partir du moment où le film a été enregistré.

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1.2.3 Principe de l’enregistrement de la phase

Nous décrivons ici comment l’amplitude et la phase peuvent être enregistrées sur une

pellicule photographique afin de former un hologramme. Soit S, une source ponctuelle qui

éclaire le planη, ξ contenant la pellicule photographique. Elle est située à la distance p=SO

de la pellicule. En plus de l’onde sphérique Σ issue de S , la pellicule reçoit une onde plane

cohérente ΣR . La normale NO à ΣR fait un angle θ avec SO . L’onde sphérique issue de S

donne en un point η, ξ de la pellicule l’amplitude complexe F( η, ξ ) et l’onde cohérente ΣR

l’amplitude a( η, ξ ). L’onde cohérente ΣR donne un éclairement constant a 2 dans le plan de la

pellicule et on posera:

a (η

,ξ ) = a*exp(-iK *

θ*

ξ)

où K = 2 / ,π λ λ étant la longueur d’onde de la lumière utilisée et a 0 une constante.

Au point η, ξ la pellicule reçoit l’amplitude:a (η, ξ ) + F (η, ξ )

et l’éclairement: E = (a + F )(a *+F *) = a 2 + F 2 + a * F + aF *

Les variations d’éclairement sur la pellicule sont dues aux interférences des ondes Σ et ΣR .

Avec un temps de pose égal à T , l’énergie reçue est:

W = ET = T a 2 + T F 2 + Ta * F + TaF *

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La transmission du négatif sera donc proportionnelle à W à condition de se trouver dans la

région linéaire de la courbe t N =f(W). Pour que cette condition soit réalisée, il faut que W ne

s’écarte pas trop d’une valeur moyenne W 0 . Il est donc important que les franges

d’interférence soient peu contrastées, c’est à dire que les amplitudes des deux ondes Σ et ΣR

soient différentes. Dans le cas où ces amplitudes sont identiques, on obtiendra des franges

complètement noires (E=0). Cela nous conduit dans la région non-linéaire de la courbe de

transmission. Si l’on réussit à se placer dans de bonnes conditions, l’amplitude transmise par

le négatif sera de la forme:

tN = to – (W-Wβ 0)

avec W 0 qui représente la valeur moyenne de l’énergie reçue par rapport à laquelle W ne

doit pas trop s’écarter. Lorsque W=W 0 , on obtient l’amplitude t 0 . La pente de la courbe

t N =f(W) dans la région linéaire est donnée par β. Posons:

W0 = t* a²

Ceci montre que l’amplitude et la phase de l’onde incidente, contenues dans la fonction F est

bel et bien enregistré dans tN.

1.2.4 Développement et blanchiment du film holographique

Les émulsions photographiques utilisées en holographie ressemblent à celles utilisées

normalement en photographie. Elles sont formées de grains d’halogénures d’argent, dont la

taille est inférieure au micron, déposés sur une gélatine qui repose sur une plaque de verre

ou un film de plastique. L’épaisseur totale de l’émulsion est d’environ 10 microns. Lorsque

l’émulsion est exposée à la lumière, un photon est absorbé par chaque grain. Ensemble, les grains qui ont été exposés à la lumière forment ce que l’on appelle « l’image latente ». On

procède ensuite au développement qui consiste en une réduction des grains d’halogénures

d’argent exposés à la lumière en argent métallique. La solution contient également un

fixateur. Ce dernier a pour effet d’éliminer tous les cristaux d’halogénures d’argent qui

n’ont pas été exposés à la lumière. Il fixe également en place, dans la gélatine, les grains

d’argent métallique. Cette étape permet de conserver le négatif en bon état durant des

années. Puis on plonge le film dans un bain d’arrêt, de l’eau distillée, qui arrête la réaction.

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Puis on procède au blanchiment de l’hologramme. Ce procédé consiste à immerger la

pellicule dans une solution qui transforme les cristaux d’argent en sels transparents. On se

retrouve donc avec un hologramme de phase au lieu d’un hologramme d’amplitude. Le

blanchiment permet généralement d’obtenir des hologrammes plus lumineux.

1.2.5 Deux types de montages

Le montage en transmission→

Le faisceau de référence et le faisceau objet sont du même côté de l'hologramme

montage en réflexion→

Le faisceau de référence et le faisceau objet sont de part et d'autre de l'hologramme.

Ces derniers sont observables en lumière blanche et offrent l'avantage d'un montage plussimple.

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2. Comment faire pratiquement un hologramme ?

2.1 Obtention d’une source adaptée

Pour obtenir un hologramme, il faut faire interférer deux faisceaux cohérents entre eux sur

un film holographique. Nous avons donc besoin d’avoir un faisceau initial qui soit cohérent

temporellement, cohérent spatialement, avec un front d’onde parfaitement plan, et de plus il

faut que le faisceau soit absolument parallèle au banc optique, et non divergent.

Pour cela on utilise un laser de marque Melles Griot de classe IIIb, référence 05-LHP-151,de puissance maximum 15mW, et de longueur d’onde 632.8 nm. Le matériel précis utilisé

sera résumé en annexe 3. Cependant, le front d’onde de l’onde sortant du laser n’est pas

parfaitement plan, et nous avons alors utilisé un épurateur pour corriger ce front d’onde. Le

principe de l’épurateur est le suivant.

L’onde arrive de la gauche avec un front d’onde déformé. La lentille agit en faisant la

transformée de Fourier du signal. Ainsi, les fréquences élevées du signal incident

correspondant aux déformations importantes du front d’onde vont se retrouver vers

l’extérieur de l’écran percé. Au centre de cet écran, se trouveront les composantes du signal

correspondant à un front d’onde non déformé. Seules ces dernières composantes passeront à

travers le trou, on a donc fait du filtrage spatial. Puis on place une lentille dont le plan focal

objet est au niveau de l’écran pour récupérer une onde plane en sortie de l’ensemble laser +

épurateur.

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Cependant, nous avons été confrontés à de grosses difficultés de réglage de cet épurateur.

Tout d’abord nous cherchions à obtenir en sortie du laser un faisceau absolument parallèle à

l’axe optique et non dévié sur les côtés. Pour cela nous avons du caler le laser avec du papier

comme on le voit sur la photo ci-dessous.

Puis une des difficultés essentielles a été d’obtenir un faisceau à la sortie de l’épurateur. Il

fallait jouer sur les deux vis représentées par les flèches sur la photo pour placer le trou

exactement au niveau du faisceau tout en récupérant une intensité maximale en sortie de

l’épurateur. Pour ce faire, une bonne stratégie consiste à placer son œil devant l’épurateur et

guetter le moindre faisceau même très faible et qu’on ne verrait pas sur un écran. Quand on

voit un faisceau très faible sortir de l’épurateur, c’est qu’on n’est pas loin de la bonneposition du trou, on fait alors un réglage fin de la position du trou pour obtenir le faisceau le

plus puissant en sortie. Cette stratégie, même s’il faut rester prudent pour ne pas se blesser

l’œil par un rayon direct, est très efficace, et permet de régler l’épurateur rapidement.

Nous avons donc maintenant un faisceau cohérent spatialement (car la source est

ponctuelle), qui constitue une onde parfaitement plane. Il faut maintenant vérifier la

cohérence temporelle de notre onde, et pour cela nous allons mesurer la longueur de

cohérence du faisceau en sortie de l’ensemble laser + épurateur.

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Pour cela nous allons fabriquer un interféromètre de Michelson grâce au montage suivant :

On est dans une configuration en lame d’air. Les deux rayons qui interfèrent sur l’écran qui

se trouve à droite par rapport à la photo ont une différence de marche égale à la différence

de distance entre la lame semi-réfléchissante et les miroirs M1 et M2 multiplié par deux (les

rayons font un aller-retour). Ainsi on observe sur le mur des franges d’interférence commele montre la photo suivante :

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On note la position du miroir au contact optique correspondant à une teinte à peu près

uniforme sur l’écran, puis on recule M1 sur le banc optique jusqu’à la disparition des

franges d’interférence. Quand on obtient un brouillage total correspondant à une absence

de franges, cela signifie que les interférences n’existent plus. En fait, la différence de marche

entre les deux rayons est devenu égale à la longueur de cohérence du laser, car alors les

deux rayons qui interfèrent ne sont plus issus du même train d’onde et donc ne peuvent

interférer.

Pratiquement, on trouve : 748mm < L/2 < 754 mm

Donc cela donne une longueur de cohérence du laser de l’ordre de 1.5 mètres. Or dans le

montage compact pour la réalisation de l’hologramme, les différences de distance

parcourues par les rayons sont largement inférieures à 1.5 mètres. On peut en conclure

qu’on a bien cohérence temporelle, et ainsi l’onde qui sort du système laser + épurateur est

tout à fait adaptée à la réalisation de l’hologramme.

14



2.2 Montage par transmission

On peut donc dès à présent passer à la présentation du montage nécessaire pour enregistrer

l’hologramme.

On voit bien que la lame semi-réfléchissante va séparer le faisceau en deux faisceauxcohérents entre eux. L’un sera le faisceau de référence et va se réfléchir contre le miroir

avant d’aller sur le film, le seconde va être réfléchit par l’objet dont on veut réaliser

l’hologramme, il a enregistré dans sa phase et son amplitude la forme de l’objet en se

réfléchissant dessus.

Voici une photo de notre montage en transmission

15



Cependant, il faut à présent prendre garde à plusieurs points que nous allons détailler ci-

dessous.

2.3 Contrôle de l’angle entre les deux faisceaux qui interfèrent

Les deux faisceaux qui interfèrent font sur le film des franges d’interférence, mais le film

n’étant pas homogène, il a un grain, correspondant à la zone maximal sur laquelle le film

peut être considéré comme homogène.

Il faut impérativement que l’interfrange soit supérieur au grain du film, car sinon celui-ci

ne pourra plus distinguer deux franges différentes et l’hologramme sera faussé.

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=ϕ k (u1-u2)

=2*π/λ * 2*sin( )*x

=2*π*x/i

Donc i=

Ainsi avec la condition i>G

On trouve < 2 Arcsin ( /2G).α λ

On a donc une valeur limite pour l’angle :

αlim= 2 Arcsin ( /2G)= 36.8°λ

car G est environ égale à un trait par micromètre.

D’autre part un calcul analogue montre que si l’écran est tourné d’un angle par rapport àθ

la bissectrice des deux faisceaux :

Alors l’interfrange est donné par la formule :

i= λ / (2*sin(α /2- ))θ

Ainsi, quand augmente, l’interfrange augmente également, et la condition surθ αlim devient

plus facile à réaliser. Pour bien contrôler l’interfrange et le grain, il est bon de connaitre

l’angle et la façon la plus simple est quand même de l’annuler, on prend ainsi comme on leθ

17



voit sur la photo ci-dessous le film de tel sorte qu’il soit normal à la bissectrice des deux

faisceaux :

2.4 Minimiser les vibrations parasites lors de l’enregistrement

Il est nécessaire de faire un travail de grande précision quand on réalise l’enregistrement,

notamment en ce qui concerne les vibrations parasites, qui peuvent avoir un effet très

néfaste sur la qualité de l’hologramme. Ainsi, on travaille sur une table très lourde qui n’est

pas sensible au vibration sonore ou au léger courant d’air du à la convection naturelle, aux

pas dans le couloir de la salle de travail etc… Cependant, une vingtaine de seconde avant

l’enregistrement, il convient de ne plus bouger et de respirer le plus lentement possible, puis

pendant l’enregistrement, de rester le plus immobile possible en évitant tout contact et tout

choc avec la table. Nous avons travaillé sur une table Melles Griot, en acier très lourd.

D’autre part, tout le montage était fixé sur la table avec des vis serrées au maximum.

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2.5 Enregistrement et développement de l'hologramme

2.5.1 Intensité reçue par le film

Pour obtenir un contraste maximal, il faut s'assurer que l'intensité des deux bras (référence

et objet) aient la même intensité. En effet un calcul simple présenté en annexe 1 montre que

le contraste est maximal lorsque le rapport x= I1/I2 est égal à1. Or l'objet à holographier

diffuse la lumière, ce qui tend à diminuer l'intensité du bras objet, par rapport à celle du

bras de référence. Pour remédier à cela, il suffit de placer un polariseur entre le faisceau

provenant du miroir et l'objet. On peut ainsi, régler l'intensité du bras objet et égaliser ainsi

les deux bras, en utilisant un puissance-mètre.

D'autre part, les films holographiques étant sensibles à une certaine longueur d'onde (ici

633 nm), pour que l'enregistrement ne soit pas faussé par une lumière parasite, celui-ci est

réalisé dans une chambre noire, en utilisant uniquement une lampe verte (longueur d'onde

555 nm) d'intensité faible. Enfin, la transparence de l'hologramme étant proportionnelle à

l'éclairement reçu, il faut calculer le temps de pose afin que l'hologramme soit suffisamment

exposé à la lumière mais pas trop.

Si on appelle S la sensibilité du film, et T le temps pendant lequel le film reçoit l’intensité:

Alors on doit avoir

I=S/T

Où S=120 J/cm² (donnée par le fabriquant du film)μ

Et I=60 W/cm² (mesurée grâce à un puissance-mètre)μ

On illumine le film pendant 2 secondes.

Remarques :

On peut régler l'intensité I avec le polariseur placé devant l’épurateur, de manière à avoir→

des temps de pose commodes.

L'hologramme doit être observé exactement de la même manière qu'il a été enregistré, il→

19



faut donc repérer la position dans laquelle il a été exposé : on peut par exemple couper un

coin du film pour pouvoir le remettre dans la bonne configuration pour l'observer (ne pas

utiliser d'encre car celle-ci disparaît lors de la phase de développement par des produits

chimiques!)

De nos jours, l'enregistrement se fait pas une caméra CCD. Il n'y a donc pas besoin de→

développement.

Une fois l'information enregistrée, on doit procéder au développement des films.

2.5.2 Développement des films

Afin de développer les films, il faut au préalable disposer d'un révélateur et d'un

blanchisseur. Nous avons nous même fabriqué nos propres produits en laboratoire de

chimie. Cette étape consiste en de simples dilutions. La seule difficulté réside dans la

solubilisation de la solution du révélateur, qu'il faut agiter pendant un certain temps afin

d'obtenir une solution homogène. Vous trouverez en annexe 3 une fiche décrivant le

protocole à suivre.

Le développement des films se fait également dans une chambre noire, en présence de

lumière verte. Il s'agit d'immerger l'hologramme dans quatre bacs, à raison d'1min30 par

bac. Le premier bac contient une solution de révélateur, le deuxième de l'eau distillée, le

troisième une solution de blanchisseur, et le quatrième de l'eau distillée. Le rôle de cette

dernière est de stopper l'effet du révélateur et du blanchisseur. Enfin, une fois ces quatre

immersions réalisées, il faut rincer l'hologramme avec de l'alcool à 90° puis le laisser sécher

à l'air libre. L'hologramme peut maintenant être exposé à la lumière sans crainte, on peut

également le lire.

20



2.5.3 Lecture de l'hologramme

L'observateur doit retirer l'objet de son support et regarder à l'endroit exact où était placé

l'objet auparavant. Cette image explique la marche à suivre :

21



2.6 Résultats

Le premier hologramme que nous avons réalisé était celui d'une pièce de deux euros. A

l'issue de l'expérience, nous avons pu observer, avec un assez bon contraste, le « 2 » inscrit

sur la pièce. En revanche nous ne pouvions observer plus de détails. Nous avons par la suite

essayé, à la demande de notre encadrant d'autres objets: un porte clé de voiture, une bague,

mais sans succès. Finalement nous avons réessayé avec une pièce de monnaie et nous

pouvions distinguer les formes de l'objet.

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3. Applications de l'holographie

L'holographie trouve application dans des domaines très variés tels que :

• L'art (hologrammes d'objets rares ou d'œuvres d'art)

• La publicité, l'industrie du loisir

• La sécurité : protection contre les contrefaçons, badges de sécurité

• Stockage de l'information (mémoires holographiques)

• L'optique adaptative (holographie synthétique)

• La technique d'interférométrie holographique permet diverses mesures (déformation

d'une surface ou d'un objet, etc.)

Nous développons succinctement en annexe ces deux dernières applications.

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Conclusion

A l'issue de ces activités expérimentales, nous savons enfin comment marche

l'holographie en transmission, nous en connaissons les difficultés et les conditions

expérimentales. Nous espérons sincèrement que ce rapport peut s'avérer utile à des

personnes qui abordent l'holographie comme nous avant ces activités expérimentales.

En outre, nous aurions souhaiter traiter aussi l'holographie en réflexion, surtout que

le montage correspondant est bien plus simple à réaliser que celui de l'holographie en

transmission. Mais malheureusement, nous avons perdu beaucoup de temps dans le réglage

de l'épurateur (6 heures) et nous avons réalisé des hologrammes inutiles d'objets variés.

Par ailleurs, ce TP modélise à notre échelle une petite expérience dans la recherche,

car nous discutions de nos problèmes et proposions nous même les solutions.

Enfin, nous tenons à remercier Robert PAPOULAR pour son encadrement, ainsi que

Mme Foulet pour le travail de direction qu'elle effectue au sein du LPE.

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Bibliographie

1.La majorité de nos informations ont été tirées de la bibliographie qui nous a été fournie au

LPE.

2.Wikipédia, article holographie : http://fr.wikipedia.org/wiki/Holographie

3.Site de l'ens physique: http://www.phys.ens.fr/spip.php?article194

4.http://nirvana.oamp.fr/enseignement/Master/Coursenligne/WEB_IOL_AER_cours/IOL_UE3

/ESCARGUEL_intro_holographie.pdf

5.http://crteknologies.fr/projets/olympiades_holographie/memoire.pdf

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http://fr.wikipedia.org/wiki/Holographie

http://www.phys.ens.fr/spip.php?article194

http://crteknologies.fr/projets/olympiades_holographie/memoire.pdf

http://fr.wikipedia.org/wiki/Holographie

http://www.phys.ens.fr/spip.php?article194

http://crteknologies.fr/projets/olympiades_holographie/memoire.pdf



Annexe 1

Calcul du contraste en fonction de l'intensité des deux bras

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Annexe 2

Protocole expérimental pour la fabrication du révélateur et du

blanchisseur

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Annexe 3Matériel utilisé

Pour le montage en transmission

• Un laser de marque Melles Griot de classe IIIb, référence 05-LHP-151, de puissance

maximum 15mW, et de longueur d’onde 632.8 nm

• un épurateur Melles Griot de fente 1 micron

• Une lentille convergente servant à collimater le faisceau sortant de l'épurateur de

distance focale + 200 mm

• Deux polariseurs Melles Griot

• Banc optique, supports, miroirs Melles Griot

• Une table antivibration Melles Griot

• Un puissance-mètre

• Une lampe verte (555 nm)

Pour la fabrication des produits chimiques

• Verrerie en pyrex (fioles jaugées, pipettes, béchers) aux capacités volumiques

adaptées au protocole

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Annexe 4

Sécurité

Pour le montage en transmission

Le port de la blouse lors des manipulations liées au montage était inutile mais lors de nos

déplacements dans le laboratoire, on aurait pu être témoins d'accidents et recevoir des

projections de produits chimiques dangereux. Nous avons donc porté une blouse durant

toutes les journées d'activités expérimentales.

Nous avons été contraints de porter des lunettes de protections bleues qui protègent de la

lumière rouge du laser. En outre, il a fallu lors de nos manipulations, repérer les

différentes réflexions parasites à l'aide d'un écran, afin de ne pas se faire surprendre par

celles-ci.

Les risques liés au laser sont diverses:

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• Tout d'abord, le risque évident de recevoir un rayonnement laser dans les yeux,

pouvant les abimer

• Un risque électrique : en effet, le laser est relié au secteur et il est possible de recevoir

des décharges lors des manipulations (accident généralement peu probable)

• Un risque chimique lié au fait que le laser est constitué d'une cavité optique

contenant des gaz hélium-néon. Une chute de celui-ci peut donc provoquer des

inhalations extrêmement dangereuses.

Ces fiches extraites du site de l'ENS physique rescencent les classes des lasers et le risque

lié à une quelconque exposition. Le laser que nous avons utilisé est de classe IIIB, il est

donc d'une dangerosité élevée.

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Lors de la manipulation en chimie

Le port de blouse, gants, lunettes de protection s'est avéré nécessaire du fait de la

manipulation d'acide sulfurique, dont les projections peuvent provoquer des lésions

graves.

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Annexe 5

Applications

L'holographie synthétique

L'holographie synthétique consiste à esquiver la phase d'enregistrement (et éventuellement

de développement de l'hologramme), en utilisant des logiciels qui calculent des

hologrammes. Ceux ci peuvent être imprimés et utilisés. Parmi les applications de cettetechnique, l'optique adaptative:

L'optique adaptative consiste à corriger des fronts d'ondes (observés par des télescopes par

exemple) afin de se débarrasser de certaines déformations et aberrations parasites

(introduites par des perturbations atmosphériques par exemple).

Parmi les constituants essentiels d'un système d'optique adaptative:

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Un analyseur de front d'onde, qui décompose le front d'onde déformé en une série de→

fonctions de Zernike, à la manière d'une décomposition en séries de Fourier, chaque

fonction représentant une aberration.

Un système de commande, qui calcule les modifications à effectuer, les fonctions de→

Zernike à éliminer.

Un miroir déformable qui opère la correction ordonnée par le système de commande→

Ces trois composants fonctionnent en boucle d'asservissement et la correction s'opère en

temps réel.

Le composant qui nous intéresse est l'analyseur de front d'onde, ou Shack-Hartmann. Ce

constituant est composé d'une matrice de microlentilles. Au voisinage de chaque

microlentille, le front d'onde est approximé par un front d'onde plan, et chacune d'entre

elles fait converger ce front d'onde local en un point au niveau du détecteur. Mais les points

obtenus avec le front d'onde déformé sont déplacés par rapport à un front d'onde

rigoureusement plan. A partir du déplacement de chaque point on peut accéder à la

décomposition du front d'onde en fonctions de Zernike.

Cependant, un Shack-Hartman est un outil extrêmement couteux et difficile à réaliser.

C'est là que l'holographie synthétique intervient. On peut montrer qu'un Shack-Hartmann

est équivalent à une matrices de tâches d'Airy, que l'on peut très facilement fabriquer grâce

à un logiciel d'holographie synthétique (HOLOPRINT par exemple) et une imprimante.

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L'interférométrie holographique

L'interférométrie holographique consiste à faire interférer deux ondes qui ont existé à des

instants différents. On fait une première pose avec le premier front d'onde en utilisant

exactement le même montage que pour l'holographie classique, puis une deuxièmeexposition avec le deuxième front d'onde. On peut par exemple observer les modes propres

d'un objet. On réalise une première pose avec l'objet immobile, puis on le fait vibrer et on

réalise une deuxième pose.

Une application ludique est le chant des verres. On peut observer les modes propres d'un

verre. On voit alors que seuls les trois quarts supérieurs du verre vibrent, ce qui explique

pourquoi la fréquence de résonance du verre ne varie pas lorsque celui-ci est rempli d'eau

d'un volume inférieur ou égal au quart de celui du verre. Elle diminue par la suite : le son

produit est de plus en plus grave.

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rapport ae

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