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Vidéo de la leçon: Holographie Physique • Troisième année secondaire

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire comment les différences de phase d’ondes lumineuses cohérentes peuvent servir à produire des images en trois dimensions.

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Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous traitons d’holographie. C’est l’étude et la pratique de la formation d’hologrammes. Beaucoup d’entre nous ont déjà vu des hologrammes. Et dans cette leçon, nous allons apprendre comment ils sont créés.

La première chose à savoir sur un hologramme est qu’il s’agit d’une image virtuelle en trois dimensions. Et vraiment, c’est cet aspect tridimensionnel qui rend un hologramme si spécial, car si nous y réfléchissons, nous sommes assez habitués à voir des images bidimensionnelles d’objets. Et de plus, nous en savons un peu plus sur la façon dont ces images sont produites.

Nous savons que, étant donné un objet tridimensionnel réel dont nous voulons créer une image, nous pouvons capturer des rayons de lumière réfléchis ou émis par cet objet. Et puis si nous enregistrons l’intensité de cette lumière entrante lorsqu’elle se divise sur une grille spatiale dans notre appareil d’imagerie. Alors, nous pouvons produire une image de notre objet en indiquant le niveau de luminosité de chacune de ces cases dans notre grille.

Ainsi, une fois que nous avons notre grille, et chacune de ces cases est généralement appelé un pixel, nous comptons combien de lumière, c’est-à-dire combien de photons atterrissent sur chaque pixel. Plus il y a de photons, plus ce pixel est lumineux et, par conséquent, plus cette partie de notre image est lumineuse. Alors nous pouvons dire que la création d’une image bidimensionnelle implique essentiellement de compter les photons lorsqu’ils atterrissent en différents points de notre appareil. Et ce processus fonctionne très bien pour représenter à quoi ressemble un objet réel en trois dimensions depuis un certain point de vue. C’est-à-dire qu’elle capture une vue en deux dimensions de cet objet en trois dimensions.

Mais que faire si nous voulions une vue en trois dimensions de cet objet? Il est possible de créer une image comme ça. Et cette image s’appelle un hologramme. Mais il faut une configuration différente de celle que nous avons ici pour enregistrer une image bidimensionnelle.

Dans notre configuration actuelle, nous traitons essentiellement la lumière comme une particule. Notre appareil d’imagerie ne prend en compte aucune de ses propriétés ondulatoires. Pour créer notre hologramme, notre image 3D, nous devons tirer parti de la nature ondulatoire de la lumière. Pour ce faire, voici le type de configuration que nous pourrions utiliser.

Ici, en haut à gauche, nous avons une source de lumière laser. Rappelons-nous que les lasers produisent une lumière cohérente. C’est-à-dire que la lumière qui sort d’un laser a une relation de phase constante. Donc, à partir de notre laser, nous avons ces fronts d’ondes de lumière qui se déplacent de gauche à droite. Cette lumière passe ensuite dans ce composant optique appelé diviseur de faisceau. Et c’est exactement ce que cet appareil fait au rayonnement entrant. Une moitié de la lumière atteignant le diviseur de faisceau y passe à travers, tandis que l’autre moitié est réfléchie, dans ce cas vers le bas.

Alors, à ce stade, nous avons deux faisceaux de lumière distincts. Mais ils sont toujours cohérents entre eux. C’est-à-dire que la lumière dans ce faisceau dirigé vers le bas a une relation de phase constante avec la lumière dans ce faisceau ici. Et on voit que c’est ce faisceau de lumière qui finit par atteindre notre objet. Pour cette raison, le nom généralement donné à ce faisceau de lumière est le faisceau d’illumination. Et cela a du sens parce que c’est le faisceau qui illumine notre objet. Lorsque cette lumière atteint notre objet, comme nous nous y attendions, elle se diffuse dans toutes les directions. Et une partie, mais certainement pas toute, de cette lumière est dispersée vers le bas.

Maintenant, une fois que la lumière a été réfléchie par notre objet, nous appelons le faisceau résultant par un nom différent. Cela s’appelle maintenant le faisceau objet. Et ce faisceau de lumière n’est pas cohérent avec l’autre lumière de la configuration. En effet, différentes parties de ce faisceau sont réfléchies par différentes parties de notre objet, ce qui change les relations de phase dans le faisceau.

Au fur et à mesure que notre faisceau objet se déplace, il atteint finalement cette plaque, une plaque d’enregistrement photographique. C’est un peu comme un film que nous pourrions mettre dans un appareil photo pour enregistrer une image. Maintenant, si notre faisceau objet était le seul faisceau de lumière à atterrir sur notre plaque photographique, nous créerions essentiellement une image comme celle que nous avons vue précédemment, une image bidimensionnelle de notre objet. Mais notre configuration permet que quelque chose d’autre se produise.

Rappelons que nous avons cet autre faisceau de lumière qui se déplace vers cette composante, qui est un miroir. Le miroir réfléchit ce rayonnement entrant et l’envoie vers la plaque photographique. Lorsque la lumière de ces deux faisceaux différents, celle-ci à laquelle nous allons donner un nom dans un instant, ainsi que notre faisceau objet, atteignent la plaque photographique. Grâce à sa nature ondulatoire, ces rayons de lumière interfèrent entre eux.

Tout comme ce à quoi nous nous attendons de la part d’ondes, une partie de cette lumière se combine de manière constructive, d’autres destructrices, et une grande partie entre ces deux extrêmes. Et notre plaque photographique enregistre ce réseau d’interférence. Alors, voici l’idée clé. Nous avons commencé avec un faisceau cohérent de lumière laser. Nous avons ensuite divisé ce faisceau unique en deux faisceaux distincts, qui étaient toujours cohérents jusque là.

L’un de ces faisceaux, appelé faisceau d’illumination, a rencontré notre objet puis a été réfléchi vers notre plaque photographique. L’autre faisceau a simplement été réfléchi par ce miroir puis vers la plaque photographique. Donc, ce faisceau de lumière ici, le plus bas dans notre schéma, n’a jamais subi de modification de sa relation de phase. Cette lumière se comporte toujours de la même manière qu’elle se comportait lorsqu’elle a été émise par le laser.

Parce que ce faisceau est inchangé par rapport à ce qu’il était, il s’appelle un faisceau de référence. Et ce sont les différences entre ce faisceau de référence et notre faisceau objet qui sont enregistrées sur notre plaque photographique. Et plus précisément, ces différences apparaissent comme des différences de phase entre ces fronts d’ondes de lumière.

Voici pourquoi cela est important pour créer une image tridimensionnelle de notre objet. Imaginez que nous avions deux ondes de lumière, celle-ci et celle-là, qui ont la même longueur d’onde. Mais qu’ils sont déphasés l’une par rapport à l’autre d’un demi-cycle d’onde. Cela signifie que là où une onde a un maximum, l’autre a un minimum. Et puis, de même, lorsque la première onde a un minimum, cette seconde a un maximum, et ainsi de suite.

Maintenant, si ces deux ondes interfèrent l’une avec l’autre, comme le font les ondes quand elles atteignent notre plaque photographique dans notre configuration, alors la différence de phase d’un demi-cycle sera enregistrée. Et si nous connaissons les longueurs d’onde d’origine de ces deux ondes, nous pouvons dire à combien de différence spatiale correspond cette différence de phase d’un demi-cycle.

Maintenant, revenons à notre configuration ici, toute différence de phase que nous verrions entre la lumière atteignant notre plaque photographique, nous le savons, est due à la structure tridimensionnelle de notre objet. Donc, si une onde de notre faisceau objet arrive sur la plaque photographique déphasée d’un demi-cycle par rapport à une onde de notre faisceau de référence. Alors cela correspond à une différence dans la distance parcourue par nos deux ondes. Et cette différence est causée par la forme tridimensionnelle de notre objet.

Ainsi, notre plaque photographique enregistre beaucoup de différences de phase entre ces deux faisceaux entrants, le faisceau de référence et le faisceau objet. Ce qu’il enregistre sont essentiellement des différences de distance qui peuvent servir à tracer la surface tridimensionnelle de notre objet. Maintenant, ce ne sera pas l’objet entier car le tout n’est pas exposé au faisceau d’illumination. Et toute la lumière du faisceau d’illumination diffusée par l’objet n’atteint pas notre plaque photographique. Mais pour la lumière qui y parvient, lorsque nous comparons ce faisceau objet avec le faisceau de référence, les différences de phase qui apparaissent peuvent servir à tracer la surface 3D de la partie de l’objet éclairée. Et toutes ces informations sont stockées dans notre plaque photographique.

Voilà donc comment enregistrer un hologramme, en projetant une lumière cohérente sur l’objet que nous voulons imager, puis en interférant cette lumière réfléchie par notre objet avec un faisceau de référence. De sorte que les différences de phase entre les faisceaux objet et de référence, qui, comme nous l’avons vu, correspondent aux différences de distance parcourue par ces faisceaux, sont enregistrées sur notre plaque photosensible.

Maintenant, une fois ce processus terminé, si nous regardions cette plaque photographique, où toutes ces informations sont encodées, nous ne pourrions pas voir une image de notre objet, dans ce cas une pomme. Nous disons que cette information, l’image en trois dimensions de notre objet, est encodée dans la plaque photographique. Alors, comment pouvons-nous le décoder pour qu’une fois un hologramme enregistré, nous puissions le voir?

Il s’avère que la meilleure façon de le faire est d’utiliser une source de lumière identique à celle que nous avons utilisée pour encoder notre hologramme. C’est-à-dire une source de lumière cohérente, comme la lumière d’un laser avec la même longueur d’onde que précédemment. Alors disons que nous faisons cela. Disons que nous prenons notre source lumineuse originale et que nous la mettons sur cette plaque photographique où est encodé notre hologramme.

Cette lumière lorsqu’elle interagit avec le réseau d’interférence enregistré sur cette plaque subira une diffraction. Et ce réseau de diffraction, vu sous un certain angle, affiche une image virtuelle tridimensionnelle de notre objet. C’est notre hologramme.

Maintenant, chose intéressante, pour pouvoir voir cette image en trois dimensions, il faut avoir le bon point de vue. Étant debout ici et regardant la plaque de cette façon, nous pouvons voir cette image virtuelle. Mais si nous étions plutôt, disons, debout ici, si nous regardions la plaque selon cette direction, nous ne verrions pas l’image. Tout cela pour dire, il est parfois difficile de voir une image holographique recréée. Mais si nous pouvons changer notre perspective ou même changer l’angle de la plaque photographique, disons, nous pouvons expérimenter et trouver l’ensemble des perspectives. Et c’est un ensemble depuis lequel l’hologramme est visible.

Une autre chose intéressante à propos des images holographiques est que les informations utilisées pour créer cette image sont stockées à chaque point de notre plaque photographique. Cela est dû au fait que lorsque nous avons enregistré notre hologramme, en l’encodant, la lumière de l’objet qui est arrivée au niveau de la plaque photographique est arrivé à chaque point de cette plaque. Cela signifie que si notre plaque venait à se casser. Disons que nous la laissons tomber et qu’elle se brise en plusieurs morceaux et que nous ne pouvions utiliser qu’un seul de ces morceaux. Lorsque nous essayons de voir notre hologramme, nous pouvons toujours voir l’objet entier dans l’image. Ce serait juste à une résolution inférieure par rapport à avant.

Donc, sachant tout cela sur l’enregistrement et la visualisation d’un hologramme, nous allons nous entraîner avec ces idées à travers un exemple.

La figure montre un appareil utilisé en holographie, y compris un objet cylindrique. Pour lequel des choix suivants utilise-t-on cet appareil? (a) Visualisation d’un hologramme enregistré d’un objet. (b) Enregistrement d’un hologramme d’un objet. (c) Enregistrement et visualisation d’un hologramme d’un objet.

Bon, alors en regardant notre schéma, nous voyons qu’il nous montre cet appareil holographique. Notre énoncé de problème parle d’un objet cylindrique. Nous pouvons le voir ici. Et en plus de cela, nous pouvons identifier d’autres parties de cette configuration. Par exemple, cet élément ici semble être une source de lumière, en particulier un laser. Nous pouvons supposer qu’il s’agit d’un laser parce que nous savons que cet appareil pris dans son ensemble est utilisé en holographie et que ces applications nécessitent une source de lumière cohérente, comme un laser.

Donc, ces faisceaux de couleur rouge que nous voyons se propager autour de notre appareil doivent être des faisceaux de lumière laser. Et nous pouvons voir qu’en ce point du trajet du faisceau laser, il est divisé de sorte qu’une partie du faisceau se déplace vers l’avant, puis une partie est réfléchie vers le bas. Et puis à ces deux endroits dans notre appareil, il semble que ces éléments sont des miroirs qui réfléchissent la lumière laser entrante. Après avoir été réfléchie, la lumière de ce faisceau supérieur est ensuite étalée puis rencontre cet objet cylindrique.

Selon notre schéma, cette lumière est ensuite réfléchie par l’objet et arrive finalement ici. Et à cet endroit, sur cette plaque, nous voyons que cette lumière de notre faisceau lumineux supérieur rencontre la lumière de notre faisceau inférieur. Ce que nous voyons se produire alors est que la lumière provenant d’un objet, et nous appelons cette lumière notre faisceau objet, interfère avec un deuxième faisceau de lumière appelé la référence. Et cette interférence a lieu et est enregistrée sur cette plaque.

Cette plaque est généralement appelée plaque photographique. Et elle enregistre la lumière qui lui est incidente. Et parce que dans ce cas, nous avons deux faisceaux de lumière qui interfèrent quand ils atteignent la plaque, ce réseau d’interférence est ce qui sera enregistré. Donc, ce que notre appareil dans son ensemble accomplit, c’est de mélanger deux faisceaux de lumière, l’un réfléchi par notre objet et l’autre un faisceau de référence. De manière à enregistrer les différences entre ces deux faisceaux.

Une autre façon de décrire ce processus consiste à dire que nous encodons une image de notre objet, dans ce cas notre objet cylindrique. Cette information est enregistrée dans notre plaque, où elle peut ensuite être récupérée plus tard en la décodant en utilisant une source de lumière similaire. Lorsque cela se produit, il est possible de visualiser une image en trois dimensions, un hologramme, de notre objet cylindrique. Mais ce processus et cet appareil sont entièrement axés sur l’enregistrement de ces informations holographiques. Nous ne visualisons pas d’hologramme. Et par conséquent, compte tenu de nos trois choix de réponse, nous pouvons éliminer le choix (a) ainsi que le choix (c), qui évoquent toutes les deux la visualisation d’un hologramme. L’appareil que nous voyons n’est utilisé que pour enregistrer un hologramme. Nous allons donc choisir le choix de réponse (b). Cet appareil sert à enregistrer un hologramme d’un objet.

Rappelons maintenant quelques points clés sur ce sujet de l’holographie. Nous avons vu dans cette leçon qu’un hologramme est une image virtuelle en trois dimensions. Afin d’enregistrer un hologramme d’un objet, disons cet objet sphérique-ci, une source de lumière cohérente, telle qu’un laser, est utilisée pour créer deux faisceaux différents. L’un d’eux, appelé le faisceau d’illumination, arrive sur l’objet, puis lorsqu’il est réfléchi vers une plaque photographique, il s’appelle le faisceau objet. Et l’autre, qui n’interagit pas du tout avec l’objet, s’appelle le faisceau de référence. Le faisceau de référence et le faisceau objet se rencontrent et interfèrent entre eux sur une plaque photographique où ces informations sont enregistrées.

La dimension de profondeur dans un hologramme est indiquée par les différences de phase entre le faisceau de l’objet et le faisceau de référence. Une fois qu’un hologramme est enregistré, c’est-à-dire encodé sur la plaque photographique, il peut être décodé et cette image visualisée en utilisant une source de lumière similaire idéalement identique qui, lorsqu’elle éclaire cette plaque, se diffracte selon le même schéma que celui enregistré à l’origine. Cela crée une image virtuelle en trois dimensions de l’objet original, qui est visible à l’œil lorsque depuis un certain point de vue. Ceci est un résumé de l’holographie.

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