Projet réalisé par Damien Dessienne et Florian Dueso étudiants de S4 SMPE à la faculté des Sciences d'Orsay de l'Université de Paris Sud XI, avec l'aide de Laetitia Landais, Brigitte et Pierre Pansu.
Le principe de l'holographie a été découvert en 1947 par Dennis Gabor (1900-1979), un ingénieur de Thomson-Houston, ce qui lui vaudra un prix Nobel en 1971. Cela, avant même l'invention du laser qui date de 1960. Les américains E.N. Leith, J.U. Upatnieks et C.W. Stroke de l'université de Michigan, réalisèrent les premiers hologrammes en 1963 grâce à la récente invention du laser. Peu après, on a découvert les avantages de l'holographie. En 1976, les progrès de l'holographie vont conduire à des essais de cinéma holographique à Moscou par V.-G. Komar. L'institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis a réussi à tourner depuis 1985 quelques bref ciné hologrammes particulièrement impressionnants.
C'est en 1917 que Albert Einstein formula le principe qui devait mener à l'invention de laser. Il annonçait la possibilité de stimuler l'émission de rayonnement électromagnétique par la matière en excitant les électrons des atomes qui la composent; le mot "laser" signifie Light Amplification by Stimulating Emission of Radiations, soit Amplification de Lumière par Émission Stimulée de Rayonnement. Cette amplification génère un faisceau lumineux cohérent c'est-à-dire dont la longueur d'onde est uniforme et dont les particules se déplacent toutes dans la même direction. Le premier laser a vu le jour en 1960, donnant suite à des quantités astronomiques d'applications dans tous les domaines.
Comme expliqué ci dessus le principe du laser repose sur l'amplification de lumière par de la matière. Une des manipulations consistait à régler une cavité laser, opération normalement effectuée en usine. Cela consistait à aligner un miroir sphérique à une extrémité de la cuve remplie de gaz (hélium néodyme) de façon à renvoyer la lumière sur un autre miroir sphérique situé à l’autre extrémité. Ces deux miroirs ont une seule différence entre eux : l’un est totalement réfléchissant (celui qui se trouve à l’arrière du laser), l’autre n’est que semi réfléchissant (celui qui se trouve à coté de la sortie du laser) afin qu’une partie du faisceau soit renvoyée sur le premier miroir et ainsi amplifiée, et que l’autre partie du faisceau, amplifié, sorte de la cavité. Le miroir que l’on va chercher à régler est semi réfléchissant. L’autre est fixé en usine à un bout de la cavité et il renvoie la lumière parfaitement dans l’axe de la cuve.
Lorsque le miroir mobile que l’on cherche à régler s’aligne parfaitement (au moyen de vis micrométriques – les réglages étant de l’ordre du millimètre) dans le faisceau lumineux (c'est-à-dire que la paroi du miroir semi réfléchissant est parfaitement perpendiculaire au faisceau de sorte que celui-ci soit entièrement et exactement renvoyé sur le premier miroir à l’endroit où il s’était déjà réfléchi) et renvoie la lumière sur l’autre miroir situé à l’autre extrémité, le système commence à laser. Ce qui signifie que la lumière s’amplifie à chaque aller-retour dans le gaz et acquiert à chaque passage de l’énergie. Quand elle en a suffisamment, elle peut traverser le miroir semi réfléchissant et donne naissance au faisceau laser, très intense.
On peut noter que la couleur de la lumière à l’intérieur de la cuve, due aux atomes d’hélium et de néon, est totalement différente de la couleur du faisceau : la cuve est éclairée d’une lueur rose pale assez floue tandis que le faisceau laser est rouge vif et très nettement défini.
Le laser est indispensable pour réaliser un hologramme du fait de sa grande longueur de cohérence. Cette longueur de cohérence est en fait la longueur sur laquelle la cohérence spatiale et temporelle du laser sont garanties. Typiquement, elle est de l'ordre de 80cm pour un laser HeNe.
Il existe deux types d'hologrammes: les hologrammes par réflexion (observables en lumière du jour) et les hologrammes par transmission (observables en lumière monochromatique et cohérente).
En théorie ces hologrammes ne sont visibles qu'avec la lumière du laser qui les a enregistrés. mais on peut aussi les voir avec une lumière monochromatique (pas forcément cohérente) comprenant la longueur d'onde du laser d'enregistrement.
Hormis la différence de montage et la restitution, l’exposition et le développement sont les mêmes qu’au montage précédent (en notant toutefois que le bain de fixateur est remplacé par un bain de blanchiment d’environ une minute). Dans ce cas-ci, le laser, le collimateur, la plaque et l’objet sont parfaitement alignés. On obtient un hologramme visible, celui-ci, en lumière du jour, assimilée à de la lumière blanche (contenant toutes les longueurs d’onde visibles).
Les émulsions holographiques sont sensiblement différentes des émulsions photographiques. En effet il faut qu’elles soient sensibles à une interférence lumineuse. L’émulsion se présente sous la forme d’une gélatine qui est étalée par centrifugation sur une plaque de verre ou un film plastique. Les plaques que nous avons utilisées sont des carrés de verre de 63x63mm recouverts d’une émulsion PFG-01 sensible uniquement au rouge (633nm). Leur sensibilité est de 100µJ.cm-2 avec une résolution supérieure à 3000 lignes/mm. Ces émulsions sont sensibles : il faut les conserver à 4°C avec une hygrométrie de 30%.
Pour regarder un hologramme, on place devant un faisceau laser un collimateur pour lui conférer un diamètre exploitable de l’ordre de 6 ou 7 cm de diamètre.
On met la plaque développée dans le faisceau ainsi élargi et on se place devant cette plaque. Face au faisceau, en prenant bien soin d’être légèrement décalé pour ne pas le regarder en face, on tourne la plaque de verre pour voir apparaître en rouge derrière la plaque (entre la plaque et le laser) à quelques centimètres, l’objet que nous avons enregistré. Cette image (virtuelle) se situe exactement à l’endroit où se situait l’objet par rapport à la plaque lors de l’enregistrement. Sans bouger la plaque, si on se place maintenant entre le laser et l’hologramme, on voit apparaître une deuxième image, symétrique de la première. Cette image est réelle.
Pour regarder un hologramme par réflexion il suffit simplement de se munir d’une lampe blanche ou simplement de la lumière du soleil. On voit apparaître derrière la plaque l’objet situé au même endroit qu’il était lors de l’enregistrement. Si on retourne la plaque, on peut observer l’hologramme mais en négatif : les bosses deviennent des creux, les écritures sont inversées.
On est allé dans un laboratoire doté d’un microscope optique suffisamment puissant pour pouvoir observer nos plaques holographiques soit par réflexion soit par transmission. Ces deux termes ne désignent pas la même chose que précédemment : par réflexion signifie que l’image que l’on va observer est issue de la réflexion du faisceau de lumière du microscope sur la plaque. Par transmission veut dire que la lumière travers la plaque avant de passer par le jeu de lentilles.
Le cliché de gauche correspond à l'observation en microscopie par transmission d'un hologramme par transmission, grossi 10 fois. L'autre est un cliché en microscopie par réflexion d'un hologramme par réflexion grossi 20 fois.
Pour
voir la vidéo, passer la souris ci-dessus.
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La première étape consiste à ajuster tous les éléments d'optique du montage (miroirs, lentilles, supports...). Pour cela on place grossièrement toutes ces pièces et on allume le laser. On les règle un à un en partant du laser de façon à ce que les taches lumineuses se retrouvent les unes après les autres sur l'élément suivant. On procède en cachant les miroirs avec des papiers pour bloquer certaines parties du trajet optique et pour mieux en régler une autre.
Une fois que le support de la plaque holographique a été positionné au point de rencontre des faisceaux laser, on obture le rayon à la source sans éteindre la cavité pour des raisons de stabilité énergétique. On mesure alors la différence de marche, c'est-à-dire la différence entre les longueur des deux chemins optiques. Celui du faisceau de référence et celui du faisceau objet. Cette différence doit être largement inférieure à la longueur de cohérence (nous avions 3cm pour une longueur de cohérence de 80cm).
On se plonge dans le noir et on allume une lampe de poche verte, couleur à la quelle la plaque n'est pas sensible. On sort la plaque de sa boîte et on la place de façon à ce que la surface sensible se trouve face à l'objet. On prend soin d'éliminer toute vibration parasite (voix, pas...) et on retire l'obturateur pendant un laps de temps d'environ 5 à 10 secondes. On obture à nouveau le laser et on passe au développement.
Toujours dans l’obscurité, on plonge successivement la plaque dans un bain de révélateur photographique (4min), dans un bain de rinçage (quelques secondes sous l’eau du robinet) et dans un bain de fixateur (4min en agitant doucement). On rince finalement la plaque pendant 5 minutes à l’eau courante et on la sèche à l’air comprimé. Dans le cas de l’hologramme par réflexion, le bain de fixateur est remplacé par un bain de blanchiment. Ce bain sert à éliminer les lignes noires visibles juste après le bain de révélateur. Ce bain va faire un peu jaunir la plaque mais va la rendre totalement transparente. Ce bain provoque le tassement de la gélatine, ce qui va faire une sélection de longueur d’onde d’où le changement de couleur de l’hologramme qui tire maintenant vers le vert.
Le speckle est un effet d’optique que l’on a sur les rayons laser lorsqu’ils rencontrent une surface. En effet, les surfaces n’étant pas « lisses » du point de vue de la longueur d’onde des lasers (imperfections de l’ordre du micromètre), il se produit des interférences microscopiques au niveau de cette surface. Cela se traduit visuellement par un effet granuleux sur la tache lumineuse. Pour pouvoir observer ce phénomène il faut élargir le faisceau de manière à avoir une tache de diamètre exploitable (>1cm). Dans ce cas on voit des points microscopiques dont la position dépend de l’observation. En effet, en laissant le dispositif immobile, si on bouge la tête, les points bougent aussi. Pour pouvoir mieux observer ces figures, on peut grossir les points en diffusant le faisceau à l’aide de n’importe quelle matière translucide de faible épaisseur (scotch, calque, feuille de plastique, latex…). Voici quelques clichés.
Speckle d’un laser He-Ne après diffusion par une feuille de latex de 60µm d’épaisseur
Speckle d’un laser He-Ne après diffusion par une feuille de plastique translucide
Cela rapporte à échelle humaine l’observation d’un speckle.
Durant ces expériences, on a remarqué qu’en élargissant le faisceau laser, la figure du speckle observée sur la feuille blanche servant d’écran diminue. En mesurant plus précisément le diamètre du laser et la taille du speckle, on a remarqué que la taille du speckle est inversement proportionnelle au diamètre du faisceau laser.
Montage d'observation du speckle
L’holographie a plusieurs avantages exploitables. D’une part la précision des détails qu’elle est capable d’enregistrer la fait passer loin devant la photographie. Par exemple en photographie classique, si l’on veut immortaliser un objet microscopique, on utilise un microscope pour prendre une photo. On ne peut pas ré observer l’objet après la prise de vue quand on a démonté le dispositif. Avec des hologrammes, on peut enregistrer l’échantillon et l’observer après aussi longtemps que l’on veut en n’observant que l’hologramme enregistré.
Un autre avantage est la restitution de la 3D. À part les modèles numériques par informatique, on ne sait pas bien représenter la 3D. Les stéréogrammes existent mais ils font mal aux yeux ainsi que tous les procédés dérivés de la stéréophotographie.
Récemment, des chercheurs ont mis au point un procédé qui consistait à enregistrer des hologrammes en couleur. En effet, on a vu précédemment que les hologrammes que l’on enregistrait n’étaient, de par leur principe, que visible d’une seule couleur. Or en superposant trois hologrammes réalisés avec des lasers de couleurs différentes, on peut (à l’aide de plaques recouvertes d’émulsions PFG-03C) enregistrer des hologrammes en pleine couleur. Cela est permis par une gélatine sensible aux trois couleurs : vert, 457nm (laser argon), bleu, 514nm (laser argon) et rouge, 633nm (laser hélium néon). Ces hologrammes sont utilisés par les bijoutiers, les horlogers, qui préfèrent mettre en vitrine un hologramme des objets qu’ils vendent plutôt que les objets eux-mêmes.
Les constructeurs de voitures font aussi faire des hologrammes de leurs modèles afin de les exposer sans vraiment les exposer dans des salons automobiles. Ces hologrammes sont relativement grands mais faute de moyens, réalisés à partir de plusieurs petits hologrammes de taille raisonnable accolés les uns aux autres.
Il est arrivé aussi mais cette fois ci sur un seul et même film que des chercheurs enregistrent l’hologramme d’un pont. Dans ces cas là les conditions sont très difficiles : il doit faire nuit, aucune voiture ni piéton ne doit passer dans les alentours aux risque de faire des vibrations et de se prendre le laser dans les yeux, et le film doit être énorme. Le laser utilisé dans ces cas là est un laser à argon, émettant dans le vert et à forte puissance. Toute la vallée est inondée de la lumière du laser pendant l’enregistrement.
L’industrie automobile se sert aussi de l’holographie mais pas à des fins artistiques ou esthétiques. On peut en effet exploiter l’extraordinaire couple que forment résolution et restitution de relief pour étudier les résistances des matériaux.
Pour cela, on enregistre un hologramme d’une pièce métallique par exemple, et on lui fait subir tous les chocs et déformations que l’on veut étudier pour voir son comportement réel. En enregistrant à nouveau sur la même plaque un deuxième hologramme de la pièce après les chocs, les deux images vont interférer et on va pouvoir observer les déformations qu’elle a subit comme des figures d’interférences, un peu comme une pièce de plastique observée en lumière polarisée. Cela s’appelle la double exposition.
L’industrie du spectacle utilise beaucoup les hologrammes pour faire des effets spéciaux lors de concerts étant donné que le prix n’est généralement pas un problème dans ce milieu là.
Enfin les hologrammes peuvent n'être employés que pour leur côté surprenant et esthétique. En effet, leur aspect surnaturel est saisissant.
On remercie beaucoup Laetitia Landais de nous avoir consacré du temps pour faire des manipulations très intéressantes, Pierre Pansu de nous avoir fait comprendre mathématiquement le principe de l'holographie et Brigitte Pansu pour avoir mis en place et si bien coordonné ce projet. On remercie enfin tous les intervenants du SMPE ainsi que Claudette Poutret, la secretaire.