LES HOLOGRAMMES
Comment enregistrer une image en 3 Dimensions ?
Depuis 50 ans, les lasers sont utilisés au quotidien, dans de nombreux domaines. Que ce soit dans l’industrie (découpe, soudure), la médecine (chirurgie plastique), l’armement (anti-missile), le stockage de données (enregistrement sur CD, DVD). Nous allons étudier son fonctionnement, et la raison de son utilisation dans notre sujet, les hologrammes.
Pour aborder le sujet, il faut avant définir la quantification des niveaux d’énergies.
Selon le modèle de Bohr, on a un atome composé d’un noyau contenant des nucléons ( protons+neutrons) et d’électrons qui gravitent autour. On peut représenter l’atome comme cela :
Les phénomènes d’absorption et d’émission :
(le bonhomme a tête noire est l'électron et celui à tête blanche est le photon)
L’absorption (stimulée) : Un photon est envoyé sur l’électron d’un atome (1), ce dernier absorbe le photon (2) et emmagasine ainsi son énergie, ce qui lui permet de sauter au niveau supérieur. L’électron est alors excité (3)
L’émission spontanée : Un électron excité (1) peut perdre spontanément son état d’excitation en émettant un photon (2)pour retrouver son état d'énergie initial. Dans ce cas, le photon est émis dans une direction aléatoire (3), c'est-à-dire dans n'importe quelle direction de l'espace.
L'émission stimulée : Un photo est émis vers un électron excité (1). L'électron "bousculé" par le photon incident, libère un deuxième photon exactement égal au premier(2) et retombe dans son état d'énergie initial (3). Le photon émis possède un deuxième photon émis possède la même fréquence, la même direction que le photon incident. On dit qu'ils sont dans le même état.
L’INVERSION DE POPULATION
L’émission stimulée agit comme une duplication de la lumière. En répétant de très nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
La découverte en elle-même de l’émission stimulée n’est pas la seule responsable de la création des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. De ce fait, un photon incident a ainsi une probabilité plus grande d’être absorbé que d’engendrer un photon par émission stimulée. Pour produire de la lumière laser, il faut trouver un moyen de renverser la tendance et d’obtenir un milieu contenant plus de particules excitées que de particules au repos. Ce processus est appelé inversion de population.
L’inversion de population peut être provoquée, puis entretenue par décharge électrique et certaines réactions chimiques.
L’OSCILLATEUR LASER
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser.
L’oscillateur est une sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des photons. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide dont les atomes excitables sont ceux du chrome
Pour comprendre comment un oscillateur produit de la lumière, il faut penser à un photon émis dans le milieu laser et qui a une trajectoire perpendiculaire aux plans des miroirs. Lorsque celui-ci va rencontrer une particule excitée, cela va entrainer l’émission d’un deuxième photon. Puis, ces deux photons vont pouvoir simultanément créer d’autres protons jusqu’à ce que ceux-ci entrent en contact avec le miroir. Or leur trajectoire étant perpendiculaire au plan du miroir, celui-ci les renverras dans la direction opposée et ils recommenceront à provoquer des émissions stimulées. Pendant ce phénomène, le nombre de photons va augmenter à chaque aller-retour : la lumière laser sera donc amplifiée. Pour que cette amplification soit efficace, les ondes de photon doivent rester en phase après chaque aller-retour, c’est ce qui permet de donner de la cohérence à la lumière. Ensuite, l un des deux miroirs ne doit pas être opaque, ce qui permet que certains photons le traverse, et donc que le faisceau sorte. Ce qui est important pour avoir une lumière laser en continu, c’est d’utiliser source d’énergie qui est continue.
Lorsque l’on désire une lumière laser importante, il faut avoir recours à un amplificateur . Celui-ci a un fonctionnement similaire à un oscillateur, il contient un milieu laser, les particules contenues dans celui-ci vont être excités par le faisceau laser provenant de l’oscillateur, et l’ensemble des photons qui traversera ce milieu reproduira encore la même réaction en chaine, ce qui va amplifier la puissance de la lumière. En fonction de la puissance recherchée, on place un différent nombre d ‘amplificateurs sur la trajectoire du faisceau. Plus on augmente la puissance, plus il convient d’augmenter la taille du faisceau et des amplificateurs pour éviter que le matériel ne soit endommagé par la puissance de la lumière. L’ensemble du matériel utilisé pour la lumière laser est appelé chaine laser.
Le véritable hologramme, tel qu’il est défini, est une réelle image3D (captation de l’objet à 360°), bien qu’enregistrée sur un film holographique, qui n’ a que deux dimensions. C’est un procédé d’enregistrement permettant de restituer une image 2 dimensions (2D) en 3 dimensions (3D). L’image change en fonction de l’angle d’observation, exactement comme lorsqu’on regarde un véritable objet en 3D.
Comment créer un hologramme ?
Pour comprendre ce schéma résumant la création d’un hologramme nous nous sommes aidés des deux types d’hologrammes : les hologrammes par réflexion et les hologrammes par transmission.
Les hologrammes par réflexion sont les plus courants et les plus utilisés car ils sont observables avec de la lumière blanche, comme celle du jour ou d’une lampe par exemple. Ils sont enregistrés lorsque le « faisceau de l’objet » et le « faisceau de référence» sont projetés sur les deux côtés du film photographique.
Les hologrammes en transmission, quant à eux, sont plus rares car on ne peut les observer qu’à l’aide d’une lumière laser. Pour l’enregistrement, « le faisceau de référence » et « le faisceau de l’objet » sont projetés cette fois sur le même côté du film photographique. Chaque partie de l’hologramme contient l’image de l’objet entier. Le schéma de la création de l’hologramme fait donc bien référence à l’hologramme par transmission.
L’hologramme est le fruit de l’interférence de deux faisceaux laser. L’un, envoyé sur une plaque photographique et l’autre, sur l’objet à holographier. Cette interférence engendre l’impression d’une image 3D sur une plaque photographique. Lorsque l’on photographie un objet de façon classique, on enregistre sur une plaque sensible (sorte de pellicule photo) la luminosité des différents points de cet objet. Autrement dit, seule l’intensité de la lumière réfléchie par l’objet photographié est prise en compte. L’objet à holographier, éclairé par le faisceau laser, va réfléchir la lumière. Une partie de cette lumière réfléchie arrive directement sur le film photographique ; l’autre partie, passant par un miroir semi-réfléchissant, permet de produire une image 3D qui s’imprime sur le film photographique.
Ce schéma justifie l'utilisation du laser pour la conception d'un hologramme, et non celle d'une lumière naturelle.
Les ondes électromagnétiques
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (et dans l’air) est notée c, sa valeur est 3.00x108 m.s-1.
Dans un milieu transparent, la lumière se propage à une vitesse inférieure ou égale à c. Si le milieu est homogène, elle se propage en ligne droite.
Changement de milieu de propagation
Lorsqu’une onde (sonore ou électromagnétique) arrive à la surface de séparation entre deux milieux, une partie de l’énergie transportée par l’onde est renvoyée dans le milieu initial et l’autre est transmise dans le second milieu. Les fractions d’énergie renvoyée et d’énergie transmise dépendent des caractéristiques des deux milieux, mais aussi de la nature et de la fréquence de l’onde.
Lorsque la lumière se propage plus lentement dans le second milieu (par exemple, lors du passage de l’air vers la terre), le rayon réfracté se rapproche de la normale à la surface de séparation entre deux milieux. Dans ce cas, la lumière peut toujours pénétrer dans le second milieu.
Lorsque la lumière se propage plus rapidement dans le second milieu ( par exemple, lors du passage du verre vers l’air), le rayon réfracté s’écarte de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux.
Dans ce cas, la lumière ne peut pas toujours pénétrer dans le second milieu. Cela dépend de l’angle d’incidence i que fait le rayon incident avec la normale :
- si l’angle d’incidence i est inférieur à un angle limite (qui est caractéristique des deux milieux), la lumière pénètre dans le second milieu ;
- si l’angle d’incidence i dépasse l’angle limite, la lumière ne peut plus passer dans le second milieu : elle est complètement renvoyée dans le milieu initial. C’est le phénomène de réflexion totale.
Exemples : La lumière est guidée par réflexion totale dans les fibres optiques, utilisées par exemple dans les fibroscopes médicaux.
Autre exemple : Une vitrine laisse voir l’intérieur d’un magasin, mais elle fait aussi fonction de miroir. Lors d’une échographie, les impulsions ultrasonores pénètrent dans les tissus et se réfléchissent partiellement à chaque changement de milieu. (figure 6)
La réflexion de la lumière
Les phénomènes de réflexion de la lumière sont fréquents dans notre environnement : les reflets à surface de l’eau, les miroirs…
Un faisceau de lumière laser est renvoyé dans une seule direction lorsqu’il arrive à la surface d’un miroir : c’est le phénomène de réflexion.
Si un faisceau arrive sur une surface qui n’est pas parfaitement lisse, une partie ou la totalité de la lumière peut être renvoyée dans toutes les directions : c’est le phénomène de diffusion.
Exemple : Un écran plan diffuse toute la lumière qu’il reçoit.
La réfraction de la lumière
Un faisceau de lumière laser est dévié lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre (par exemple : de l’air à l’eau, ou le contraire). C’est le phénomène de réfraction. (figure 8)
Exemple : Une paille dans l’eau paraît cassée à l’interface air-eau à cause de la réfraction. ( figure 7)
Nous vous proposons ici une petite vidéo que nous avons réalisé pour expliquer la partie mathématiques que représente le laser.