Pour ceux qui découvrent l’interféromètre de Michelson, il s’agit d’un instrument optique essentiel utilisé pour créer des figures d’interférence. Son invention, en 1887, a permis à Albert A. Michelson et Edward W. Morley de réaliser une expérience historique, démontrant que la vitesse de la lumière est une constante universelle, indépendante du mouvement de l’observateur. Cette découverte a ouvert la voie à la théorie de la relativité restreinte d’Einstein.
Ce dispositif se décline en deux configurations principales : la lame d’air et le coin d’air. Nous nous concentrerons ici sur la configuration en lame d’air, qui produit des anneaux concentriques, aussi appelés franges d’égale inclinaison. L’objectif est de vous permettre de comprendre ce phénomène et de maîtriser la manipulation de cet appareil de manière efficace.
En bref : L’interféromètre de Michelson en lame d’air
- Le Michelson est un instrument qui sépare et recombine un faisceau lumineux pour créer des interférences.
- La configuration en lame d’air génère des anneaux d’interférence concentriques.
- Ces anneaux permettent de mesurer des distances avec une extrême précision, notamment en métrologie.
- Comprendre l’évolution du rayon d’un anneau est crucial pour la manipulation du dispositif.
- L’augmentation du rayon d’un anneau correspond à une augmentation de la distance entre les pseudo-sources.
Fonctionnement et principe de la configuration en lame d’air
Dans la configuration en lame d’air, l’interféromètre de Michelson est réglé de telle sorte que les deux miroirs, M1 et M2, sont parfaitement perpendiculaires. La figure d’interférence observée est alors composée d’anneaux brillants et sombres, centrés sur l’axe optique. Ces anneaux sont appelés franges d’égale inclinaison car leur formation dépend principalement de l’angle d’incidence du rayon lumineux sur les miroirs, et non de sa position.
Un point clef pour maîtriser la manipulation de cet appareil est de comprendre la relation entre la position des miroirs et l’évolution des anneaux. L’interféromètre agit comme un dédoubleur d’image : il crée deux « pseudo-sources » lumineuses à partir d’une seule. La distance entre ces pseudo-sources est directement liée à l’écartement des miroirs.
Comment interpréter la figure d’interférence ?
Lors de la manipulation d’un interféromètre de Michelson configuré en lame d’air (la figure d’interférence est donc constituée d’anneaux concentriques), il peut être utile de savoir retrouver rapidement le sens d’évolution de la distance entre les pseudo-sources en fonction de l’évolution du rayon d’un anneau donné.
Pour cela, se souvenir que : c’est aussi important que de savoir qu’il faut tourner le volant à droite pour prendre un virage à droite !
La logique est la même dans le cas du Michelson : lorsque le rayon d’un anneau donné augmente, c’est que la distance entre les pseudo-sources augmente également…
En pratique, lors d’une manipulation, vous ajustez l’un des miroirs (généralement M2) pour modifier la distance d entre les pseudo-sources. Ce mouvement a un impact direct sur la taille des anneaux d’interférence. Retenez la règle suivante :
Lorsque le rayon d’un anneau donné augmente, la distance entre les pseudo-sources augmente également. Inversement, une diminution du rayon correspond à un rapprochement des pseudo-sources.
Cette relation intuitive est fondamentale pour toute mesure ou réglage précis de l’interféromètre. Par exemple, pour obtenir le contact optique (d=0), vous verrez les anneaux s’élargir jusqu’à ce qu’ils disparaissent, laissant place à une large plage lumineuse. Un interféromètre de Michelson.
FAQ : Tout savoir sur l’interféromètre de Michelson
Qu’est-ce qu’un interféromètre de Michelson ?
C’est un dispositif optique qui divise un faisceau lumineux en deux, puis les recombine pour observer des figures d’interférence, révélant des informations sur les longueurs d’onde ou les distances.
À quoi sert-il ?
Il est utilisé pour mesurer des longueurs, des indices de réfraction, et historiquement pour l’expérience de Michelson-Morley qui a invalidé la théorie de l’éther.
Quelle est la différence entre lame d’air et coin d’air ?
La configuration en lame d’air est obtenue lorsque les miroirs sont parallèles, produisant des anneaux concentriques. La configuration en coin d’air a des miroirs légèrement inclinés, produisant des franges rectilignes.
Qu’est-ce qu’une figure d’interférence ?
C’est le motif lumineux, composé de franges claires et sombres, qui apparaît lorsque deux ondes lumineuses cohérentes se superposent.
Comment se forment les anneaux dans la configuration en lame d’air ?
Ils se forment lorsque la différence de marche optique entre les deux faisceaux dépend principalement de l’angle d’incidence de la lumière.
Qu’est-ce qu’une pseudo-source ?
C’est l’image virtuelle de la source lumineuse créée par les miroirs de l’interféromètre. La distance entre les deux pseudo-sources est cruciale.
Quel est le rôle de la lame compensatrice ?
Elle sert à compenser la différence de chemin optique entre les deux faisceaux, garantissant que les interférences soient stables et bien contrastées.
Comment déterminer la nature d’une frange (brillante ou sombre) ?
La nature de la frange dépend de la différence de marche optique et des déphasages éventuels, qui sont liés à la longueur d’onde de la lumière.
Comment manipuler la distance entre les pseudo-sources ?
Vous modifiez cette distance en ajustant la position de l’un des miroirs (généralement M2) à l’aide d’une vis micrométrique.
Pourquoi la configuration en lame d’air est-elle utilisée pour la métrologie ?
Elle permet de mesurer des variations de distance très faibles, de l’ordre de la fraction de longueur d’onde, grâce à la sensibilité des franges d’interférence aux mouvements des miroirs.
Quel est le mnémonique pour la configuration en lame d’air ?
Il n’y a pas de mnémonique standard, mais on peut retenir que les « anneaux » (lame d’air) sont comme des cercles, alors que le « coin » (coin d’air) est un angle qui génère des lignes droites.
Puis-je utiliser un interféromètre de Michelson avec de la lumière blanche ?
Oui, mais les franges seront visibles uniquement autour de la position de contact optique (d=0) et auront des couleurs différentes, car la différence de marche n’est pas nulle pour toutes les longueurs d’onde.
Quel est l’intérêt de la configuration en lame d’air par rapport à celle en coin d’air ?
La lame d’air est plus adaptée pour des mesures de précision à grande échelle, tandis que le coin d’air est souvent utilisé pour l’étude de la surface d’un miroir ou pour des mesures locales.
Comment distinguer une frange de Michelson d’une frange de Fizeau ?
Les franges de Fizeau se forment en lumière parallèle et sont liées à l’épaisseur de la lame d’air, tandis que les franges de Michelson se forment en lumière étendue (franges d’égale inclinaison).
Conclusion
L’interféromètre de Michelson en lame d’air est un instrument puissant pour l’étude des phénomènes d’interférence et la métrologie de haute précision. Sa configuration simple produit des franges circulaires dont la dynamique, bien que subtile, est facilement maîtrisable avec une bonne compréhension de la relation entre la distance des pseudo-sources et le rayon des anneaux. En vous appuyant sur les principes énoncés ici, vous serez en mesure d’exploiter pleinement le potentiel de cet appareil, que ce soit en laboratoire ou en situation de recherche.
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