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optique ondulatoire (MPI) · Chapitre 4 · Application directe du cours

Largeur d'une raie : quand les anneaux s'éteignent pour de bon

Interférences par division d'amplitude : l'interféromètre de Michelson · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Une raie de longueur d'onde moyenne a une largeur , soit une largeur en nombre d'onde . Le Michelson est en lame d'air ; on observe le centre () en chariotant à partir du contact.

1) Par le critère de brouillage portant sur l'ordre, montrer que les franges disparaissent pour . Relier à la largeur en fréquence et au temps de cohérence , et retrouver .

2) (hors PT) On modélise la raie par un profil rectangulaire : les radiations de nombres d'onde compris entre et ont toutes la même intensité, et sont incohérentes entre elles. Montrer que l'intensité au centre vaut , où , et en déduire le facteur de contraste. Où s'annule-t-il pour la première fois ? Le contraste peut-il revenir ensuite ?

3) Comparer avec le doublet du sodium, pour lequel le contraste s'annule puis revient.

4) Ordres de grandeur, pour la raie verte du mercure () : avec une lampe basse pression, les franges disparaissent vers ; en déduire , , , . Avec une lampe haute pression, : que vaut ? Comparer à la lumière blanche.

5) Que se passe-t-il quand ?

Corrigé

La stratégie. Une raie de largeur finie est une collection de radiations incohérentes entre elles ; chacune donne ses anneaux, et les intensités s'ajoutent. Le critère sur l'ordre donne l'ordre de grandeur de la différence de marche de brouillage ; le profil rectangulaire permet de faire le calcul exact et de vérifier le critère.

1) Le critère sur l'ordre. À la différence de marche , l'ordre s'étale, entre les bords de la raie, sur . Les systèmes d'anneaux extrêmes sont décalés d'un anneau quand : les franges se brouillent pour

En fréquence, , donc . En posant (longueur d'un train d'onde), on obtient : c'est la relation du cours, retrouvée par l'interféromètre. Interprétation : les deux ondes interfèrent tant que le retard de l'une sur l'autre, , reste inférieur à la durée d'un train d'onde.

2) Le profil rectangulaire (hors PT). Les radiations comprises entre et apportent, sur chacune des deux voies, l'intensité , et donnent au centre, par Fresnel, . Elles sont incohérentes entre elles : on additionne les intensités, ici en intégrant sur la raie,

Le premier terme donne . Le second :

soit . Donc

Le cosinus varie à l'échelle de , le sinus cardinal à l'échelle de , beaucoup plus grande : localement, l'intensité oscille entre , et le facteur de contraste vaut

Il s'annule pour la première fois quand , soit : le critère sur l'ordre était juste, il donne exactement le premier zéro. Au-delà, le contraste repasse par des maxima secondaires, mais ils sont faibles : le premier vaut (pour ), les suivants moins encore ; en pratique, pour un profil réel sans bords francs, les franges ne reviennent pas.

3) Raie contre doublet. Pour une raie unique, le contraste décroît et s'éteint pour de bon : c'est la signature d'un spectre continu sur une largeur . Pour un doublet de deux raies fines (problème des travaux dirigés), le contraste s'annule puis revient périodiquement : c'est la signature de deux raies séparées. La courbe porte donc la forme du spectre ; c'est en ce sens que le Michelson « accède au profil spectral » d'une source.

4) Ordres de grandeur.

  • Mercure basse pression : , d'où , et . La raie est fine en valeur relative () : on peut charioter d'un centimètre en voyant des anneaux.
  • Mercure haute pression, : : les anneaux disparaissent dès du contact.
  • Lumière blanche : (exercice 6 ci-dessus). La longueur de cohérence couvre quatre ordres de grandeur ; elle fixe la plage de chariotage utilisable, et c'est pour cela qu'on règle le Michelson avec une lampe basse pression.

5) Cas limite. Quand , pour tout fixé : et . Une radiation rigoureusement monochromatique donnerait des franges contrastées à toute différence de marche ; c'est une idéalisation.

Ce que l'exercice installe. Le critère de brouillage sur l'ordre, , donne la longueur de cohérence et retrouve ; le calcul du profil rectangulaire, par additivité des intensités, confirme le critère et montre que le contraste porte la forme du spectre.

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