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Module expérimental "Holographie"

La lumière possède des propriétés physiques étonnantes. Dans cet enseignement, nous allons explorer plus précisément ses propriétés de cohérence, qui permettent d'aller au-delà de la simple information d'intensité (celle que nous utilisons dans notre quotidien). Nous utiliserons le laser comme source de lumière cohérente et l'exploiterons pour la réalisation d'hologrammes. Après un apprentissage des techniques d'holographie analogique, numérique et interférométrique, les élèves sont incités à proposer un sujet d'étude pertinent, le plus souvent en fonction de leurs centres d’intérêt. Pour cela plusieurs outils seront à leur disposition : des plaques photographiques pour l'enregistrement des hologrammes, une caméra CCD haute-résolution pour l'holographie numérique, une matrice de micro-miroirs pour la modulation spatiale de la lumière. Les sujets d'études sont multiples : déformations d’un cristal piézoélectrique, vibrations d’un verre qui chante, cartographie 3D d'un objet, réduction des aberrations sur un faisceau laser et bien d'autres encore.

Figure 1 - Montage dit « de Gabor » pour un hologramme observable en transmission

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Figure 2 - Franges d’interférence créées lors de la vibration d’une anche de clarinette à différentes fréquences d’excitation

Cet enseignement propose une approche de type « projet » sur un support. Il s’agit d’un véritable apprentissage de la méthodologie du chercheur : se poser un problème, déterminer si la technique expérimentale est adaptée à la mesure, faire des recherches bibliographiques, mettre au point un montage expérimental adapté et enfin exploiter les résultats (et éventuellement analyser les échecs).

Au cours de ce Modal, il sera possible de réaliser des montages d'holographie avec trois déclinaisons principales : l'holographie interférométrique, l'holographie numérique, la modulation spatiale de la lumière.

Pour la première, on entend l'usage de l'holographie pour la détection de déformations mécaniques ou thermiques à l'échelle du micron. Cette technique est très utilisée en industrie aéronautique pour la détection non destructive de micro-fissures.

Pour la deuxième, on entend l'usage d'une caméra CCD pour enregistrer les hologrammes. La reconstruction est alors numérique, on simule la propagation du champ électromagnétique par les lois de la diffraction. Cette méthode offre la possibilité d’appliquer des traitements numériques pour améliorer la qualité de l’image de l’objet reconstruit, compenser les aberrations du système ou encore changer la position du plan de reconstruction. Elle offre aussi l’avantage de permettre la reconstruction de l’interférogramme holographique en temps réel, et l’exploitation des résultats est donc immédiate. C’est d’ailleurs pourquoi la technique d’interférométrie holographique connaît un regain d’intérêt en milieu industriel.

Enfin pour la dernière, on entend l'usage d'une matrice de micro-miroirs pour la modulation spatiale et temporelle d'un faisceau lumineux. Grâce à cet instrument (qu’on trouve dans la dernière génération de vidéo-projecteurs) et l'optique de Fourier, il est possible de compenser les aberrations d'un système optique, de réaliser des motifs à deux dimensions à la demande ou encore d'étudier la transformation de Fourier sur des motifs non triviaux. Les élèves sont ainsi confrontés à des dispositifs expérimentaux différents, chacun avec ses propres limitations, qu’il est essentiel de comprendre et maîtriser pour mener à bien l’étude.

Figure 3 - Reconstruction numérique d’un hologramme constitué de deux pièces à des distances différentes.