Physique universitaire — 2e année · Bachelor Year 2
21Interférences à ondes multiples et réseaux
Inclinez un disque compact sous une lampe et il jette un arc-en-ciel : sa spirale de cuvettes, espacées d’un micromètre et demi, est un réseau — des milliers de bandelettes réfléchissantes, renvoyant chacune une copie de l’onde, toutes interférant. Deux ondes donnent les douces franges en des chapitres précédents ; mille ondes donnent des franges mille fois plus fines, assez étroites pour séparer deux longueurs d’onde qui diffèrent d’une partie sur cent mille. C’est l’instrument avec lequel on a lu la composition du Soleil et la vitesse des galaxies, et qui siège dans tout spectromètre. Ce chapitre somme ondes, en tire l’équation des réseaux, sa dispersion et son pouvoir de résolution, et rencontre l’autre dispositif à ondes multiples, la cavité de Fabry–Pérot qui deviendra le résonateur du laser.
21.1 Interférence de ondes
Théorème 21.1 ( ondes égales en progression arithmétique de phase)
ondes cohérentes de même amplitude , chacune en retard sur la précédente de la phase , se superposent en une onde d’amplitude et d’intensité
maxima principaux d’intensité là où (toutes les ondes en phase), de demi-largeur en (les premiers zéros sont en ), séparés par maxima secondaires ne dépassant pas environ des principaux pour grand. Plus il y a d’ondes, plus les pics sont fins et brillants : la largeur décroît en , la hauteur croît en , l’énergie (leur produit) en .
Démonstration. Amplitudes complexes , : une série géométrique, . Zéros là où mais : , non multiple de . Dans l’image des phaseurs les flèches se referment en un polygone régulier aux zéros et s’alignent aux maxima principaux. ∎
21.2 Le réseau de diffraction
Proposition 21.2 (Équation des réseaux)
Un réseau est un ensemble de fentes (ou traits) identiques, équidistantes et parallèles, de pas . Une onde plane incidente sous l’angle par rapport à la normale est réémise par chaque fente ; dans la direction les ondes issues de fentes voisines ont la différence de marche , et elles se renforcent dans les directions
— les ordres du réseau. L’ordre zéro est le faisceau non dévié pour toute longueur d’onde ; chacun des autres ordres étale les longueurs d’onde, avec la dispersion angulaire
d’autant plus grande que le réseau est fin et l’ordre élevé ; l’ordre maximal est . Un réseau par réflexion (traits gravés sur un miroir) obéit à la même équation avec les angles réfléchis.
Démonstration. La phase entre fentes successives vaut ; les maxima principaux du Théorème 21.1 sont en . Différentier à , fixés. ∎
Exemple 21.3 (Un réseau de classe et un CD)
Un réseau de traits par millimètre () sous incidence normale envoie la lumière de en , au premier ordre, au second, et n’a pas de troisième ordre () ; son spectre du premier ordre court de () à (). Un disque compact, , est un tel réseau en réflexion — d’où l’arc-en-ciel, et le fait qu’un DVD () l’étale davantage. Le rouge du second ordre ( en ) recouvre le violet du troisième : les ordres se recouvrent au-delà du premier, gêne que guérissent des filtres ou un prisme.
21.3 Pouvoir de résolution
Proposition 21.4 (Pouvoir de résolution d’un réseau)
Deux longueurs d’onde voisines et sont tout juste résolues à l’ordre quand le maximum principal de l’une tombe sur le premier zéro de l’autre (critère de Rayleigh), ce qui a lieu pour
le pouvoir de résolution est l’ordre multiplié par le nombre de traits éclairés. Il s’écrit aussi avec la largeur du réseau : la plus grande différence de marche à travers le réseau, en longueurs d’onde — d’où les réseaux de plusieurs dizaines de centimètres des grands spectrographes, utilisés sous incidence rasante.
Démonstration. Le maximum d’ordre pour est en pour cette longueur d’onde, c’est-à-dire en ; le premier zéro du maximum pour est en . En égalant : . Puis . ∎
Exemple 21.5 (Séparer les raies du sodium)
Le doublet, à , demande : mille traits au premier ordre, d’un réseau à . Sa propre largeur de raie, , demande : un réseau de au premier ordre, ou au second — et un réseau de à au second ordre atteint , résolvant : la largeur d’une raie élargie par l’agitation thermique des atomes, et le décalage Doppler d’une étoile allant à .
21.4 La cavité de Fabry–Pérot
Proposition 21.6 (Interférences à ondes multiples par division d’amplitude)
Deux miroirs parallèles partiellement réfléchissants (réflectance en intensité ) distants de ne transmettent une onde sous incidence normale que dans la mesure où les ondes ayant rebondi fois entre eux s’ajoutent en phase : avec la phase d’un aller-retour, l’intensité transmise vaut (fonction d’Airy)
des pics étroits de transmission totale en (les résonances de la cavité, espacées en fréquence de l’intervalle spectral libre ), de largeur relative avec la finesse — pour , pour . Elle égale le réseau en pouvoir de résolution ( avec , d’où ) et, refermée sur elle-même, devient le résonateur du laser (Chapitre 23).
Démonstration. Chaque aller-retour multiplie l’amplitude par (à une phase constante près) ; l’amplitude transmise vaut avec ; son module carré vaut . Pics en ; mi-hauteur là où , c’est-à-dire , à comparer aux entre pics. ∎
Méthode 21.7 (Calculs de réseau)
(1) Pas ; équation des réseaux avec les signes des angles. (2) Lister les ordres qui existent () et vérifier leur recouvrement ( contre ). (3) Dispersion , convertie en position sur le détecteur avec la distance focale : . (4) Pouvoir de résolution avec le nombre de traits réellement éclairés ; comparer à la structure à résoudre. (5) Pour un instrument réel, ajouter la largeur de la fente d’entrée (elle brouille les raies) et les pixels du détecteur.
21.5 Exercices
Exercice 21.1 ★
Un réseau de traits par millimètre sous incidence normale, : angles des ordres ; ordre le plus élevé ; largeur angulaire du spectre visible du premier ordre (–) ; même réseau sous incidence de : ordres de chaque côté.
Solution
Solution de Exercice 21.1.
, : , , ; pas de quatrième ordre. Visible du premier ordre de à : . À : : () d’un côté, à (, , , , ) de l’autre.
Exercice 21.2 ★
Le doublet du sodium avec un réseau de traits/mm et une lentille de : séparation angulaire et linéaire des deux raies sur le détecteur aux premier et second ordres ; taille de pixel nécessaire pour les distinguer.
Solution
Solution de Exercice 21.2.
. Ordre 1 : , , ; ordre 2 : , , . Pixels de ou moins.
Exercice 21.3 ★
Pouvoir de résolution d’un réseau de à traits/mm aux ordres , , ; plus petit résolu à ; sépare-t-il le doublet du sodium ? La raie H de l’hydrogène de sa jumelle du deutérium (distantes de ) ?
Solution
Solution de Exercice 21.3.
: , , ; , , ; le doublet () et la paire H/D (, exigeant ) sont aisément séparés.
Exercice 21.4 ★
Un disque compact () et un DVD () éclairés sous incidence normale : angles du violet et du rouge au premier ordre ; quels ordres existent pour chacun ; pourquoi le CD montre-t-il deux arcs-en-ciel et le DVD un seul ?
Solution
Solution de Exercice 21.4.
CD : violet , rouge ; le rouge existe jusqu’à l’ordre 2, le violet jusqu’à l’ordre 4 : deux arcs-en-ciel (partiellement recouverts). DVD : violet , rouge ; le rouge n’a que le premier ordre : un seul arc-en-ciel, plus large.
Exercice 21.5 ★★
Le motif à fentes. (a) Montrer qu’entre deux maxima principaux il y a zéros et maxima secondaires. (b) Pour grand, intensité du premier maximum secondaire relativement au principal (en ) : environ . (c) Esquisser le motif pour et et donner les hauteurs des maxima secondaires pour . (d) Fraction de l’énergie totale dans les maxima principaux pour grand (comparer les intégrales du pic, de largeur et de hauteur , au reste).
Solution
Solution de Exercice 21.5.
(a) Zéros en , : zéros, maxima entre eux. (b) En , : de . (c) : un seul maximum secondaire en , de hauteur , le neuvième du principal ; : quatre maxima secondaires de quelques pour cent. (d) Le lobe central de retient de l’énergie.
Exercice 21.6 ★★
Recouvrement des ordres. (a) Montrer que l’ordre de recouvre l’ordre de quand ; pour –, à partir de quel ordre ? (b) Intervalle spectral libre à l’ordre : . (c) Un spectrographe travaille à l’ordre vers (un réseau échelle) : intervalle spectral libre ; comment lève-t-on le recouvrement (disperseur croisé) ? (d) L’intervalle spectral libre du Fabry–Pérot vaut : l’écrire en longueur d’onde et le comparer à celui du réseau.
Solution
Solution de Exercice 21.6.
(a) : à partir de . (b) . (c) ; un prisme croisé avec le réseau empile les ordres les uns au-dessus des autres. (d) , une fraction de nanomètre — des centaines de fois moins que pour un réseau.
Exercice 21.7 ★★
Réseau blazé. Un réseau par réflexion a ses traits inclinés de l’angle de blaze pour que chaque facette réfléchisse spéculairement dans la direction où l’on veut l’ordre . (a) Pour le montage de Littrow () : montrer ; angle de blaze pour au premier ordre avec traits/mm. (b) Pourquoi le blaze envoie-t-il l’essentiel de la lumière dans un seul ordre (penser à l’enveloppe de la diffraction d’une seule facette, Chapitre 22) ? (c) Le même réseau est blazé pour : à quel ordre est-il efficace à ? (d) Pouvoir de résolution d’un réseau de en Littrow à , (utiliser ).
Solution
Solution de Exercice 21.7.
(a) , . (b) La facette seule diffracte en un large lobe centré sur sa direction spéculaire ; les ordres qui tombent dedans reçoivent la lumière. (c) Ordre 2 ( sous le même angle). (d) .
Exercice 21.8 ★★
La fente. La fente d’entrée d’un spectromètre, de largeur , est imagée sur le détecteur au grandissement ; le réseau ( traits/mm, , ordre , ) disperse. (a) Largeur d’une raie sur le détecteur due à la seule fente pour , en nm. (b) Largeur due au pouvoir de résolution du réseau. (c) Laquelle domine ; largeur de fente pour laquelle les deux s’égalent. (d) Pourquoi ne pas fermer la fente davantage ?
Solution
Solution de Exercice 21.8.
(a) : font . (b) : . (c) La fente, par un facteur neuf ; égalité en . (d) La diffraction à la fente et un détecteur affamé.
Exercice 21.9 ★★
Fabry–Pérot. Miroirs , , . (a) Ordre , intervalle spectral libre en fréquence et en longueur d’onde. (b) Finesse ; largeur d’un pic de transmission en fréquence et en longueur d’onde. (c) Pouvoir de résolution ; comparer au réseau de . (d) Pourquoi un Fabry–Pérot est-il toujours employé avec un préfiltre ou un réseau ?
Solution
Solution de Exercice 21.9.
(a) ; ISL , . (b) ; , . (c) , quatre fois celui du réseau de . (d) Son intervalle spectral libre est une fraction de nanomètre : les ordres se recouvrent à moins de préfiltrer la lumière sur l’un d’eux.
Exercice 21.10 ★★★
La limite d’un réseau. (a) Montrer que : le pouvoir de résolution ne peut dépasser la largeur du réseau en longueurs d’onde, multipliée par deux. (b) Interpréter : la plus grande différence de marche entre les rayons extrêmes. (c) Un réseau de à : ultime ; plus petite vitesse décelable par décalage Doppler (). (d) Pourquoi les astronomes atteignent-ils néanmoins (penser à mesurer la position d’une raie à une fraction de sa largeur, sur de nombreuses raies) ?
Solution
Solution de Exercice 21.10.
(a) . (b) Les rayons extrêmes diffèrent en marche de , au plus . (c) ; . (d) Le centre d’une raie se localise au centième de sa largeur, et mille raies moyennent en : des mètres par seconde, au prix d’une stabilité héroïque.
Exercice 21.11 ★★★
Bragg. Un cristal est un réseau à trois dimensions : des rayons X réfléchis par des plans atomiques successifs distants de , sous l’angle rasant , interfèrent constructivement quand (Bragg). (a) L’établir à partir de la différence de marche entre deux plans. (b) Le rayonnement K du cuivre () sur le sel gemme () : les angles de Bragg. (c) Pourquoi les longueurs d’onde visibles ne donnent-elles aucune réflexion de Bragg sur les cristaux, et que dit la réciproque (aucune diffraction des rayons X par le verre) du verre ? (d) Pourquoi faut-il ?
Solution
Solution de Exercice 21.11.
(a) L’onde réfléchie par le plan inférieur parcourt de plus. (b) : , , . (c) : aucun angle ne satisfait l’équation ; le verre n’a pas de plans réguliers, d’où seulement des anneaux diffus — il est amorphe. (d) .
Exercice 21.12 ★★★
Réseau phasé. antennes identiques en ligne, espacées de , alimentées avec la même amplitude et un saut de phase entre voisines. (a) Montrer que le champ rayonné dans la direction est celui de la somme de ondes avec : le faisceau principal pointe là où . (b) Demi-largeur du faisceau principal, . (c) Pourquoi faut-il pour éviter un second faisceau principal (un lobe de réseau) lors du balayage ? (d) Un radar à éléments espacés de , : largeur du faisceau ; temps pour balayer par pas d’une largeur de faisceau si les phases commutent en .
Solution
Solution de Exercice 21.12.
(a) Les voisines diffèrent en phase de par le trajet et de par l’alimentation ; le maximum principal en . (b) Premier zéro en : . (c) Un second maximum principal en exige : impossible pour tout angle de pointage seulement si . (d) : ; pas, .
21.6 Problème : un spectrographe pour une étoile
Problème 21.1
Problème du week-end — concevoir le spectrographe qui lit la lumière d’une étoile : le réseau, le détecteur, les raies de l’hydrogène, et le vacillement d’une planète
Un spectrographe : fente d’entrée, collimateur de distance focale , un réseau par réflexion de traits/mm et de largeur , une caméra de , un détecteur à pixels de . Il travaille au premier ordre, autour de , avec le réseau sous incidence de .
Partie I — Le réseau.
- Pas du réseau ; nombre de traits éclairés si le faisceau couvre toute la largeur.
- Angle de diffraction de au premier ordre ; de et ; largeur angulaire du spectre visible.
- Dispersion angulaire à ; dispersion linéaire sur le détecteur en nm par mm et en nm par pixel.
- Pouvoir de résolution ; plus petit résolu à ; en pixels.
- Le violet du second ordre tombe-t-il sur le visible du premier ordre ? Quel filtre l’élimine ?
- Longueur de détecteur nécessaire pour tout le spectre visible au premier ordre.
- Le réseau est blazé à : pour quelle longueur d’onde est-il le plus efficace au premier ordre sous cette incidence (utiliser l’estimation de Littrow ) ?
- Le réseau renvoie de la lumière à la longueur d’onde de blaze et le télescope plus l’optique : fraction des photons de l’étoile qui atteignent le détecteur.
Partie II — Les raies.
- Les raies de Balmer de l’hydrogène de l’étoile : H , H , H : leurs positions sur le détecteur relativement à .
- La raie H d’un atome de deutérium est plus courte de : séparées ? De combien de pixels ?
- Le doublet du sodium dans le spectre de l’étoile : séparation en pixels ; et largeur de chaque raie si l’atmosphère de l’étoile les élargit à .
- La fente d’entrée fait de large, imagée au grandissement : sa largeur sur le détecteur en pixels et en nm ; le spectrographe est-il limité par la fente ou par le réseau ?
- La lumière du télescope arrive comme un disque de sur le ciel, que le télescope () rend large de à la fente : fraction de lumière perdue si la fente est rétrécie à (prendre le disque uniforme).
- Pourquoi une fente plus étroite donne-t-elle des raies plus fines mais des spectres plus bruités ?
Partie III — L’étoile bouge.
- Une étoile s’éloigne à : décalage Doppler de H en nm et en pixels.
- Le mouvement orbital de la Terre ajoute sur l’année : pourquoi faut-il le soustraire, et à quelle précision si l’on veut ?
- Une planète fait vaciller son étoile à : décalage en nm et en pixels ; est-il sous la résolution ? Expliquer comment la mesure du centre d’une raie au centième de sa largeur, sur un millier de raies, le retrouve (gain statistique ).
- La température de l’instrument change de , et le réseau (verre, dilatation ) se dilate : décalage des raies en pixels ; quelle stabilité faut-il pour ?
- Une lampe d’étalonnage (thorium–argon) pose des centaines de raies connues sur le même détecteur : expliquer son rôle.
Partie IV — Variantes.
- La même largeur de réseau gravée à traits/mm et utilisée au quatrième ordre (avec un disperseur croisé pour trier les ordres) : angle de diffraction, pouvoir de résolution, dispersion et intervalle spectral libre à ; qu’est-ce qui change, qu’est-ce qui ne change pas ?
- Un étalon de Fabry–Pérot (, ) placé avant la fente : intervalle spectral libre en nm, finesse, largeur des pics ; à quoi ressemble son peigne de pics de transmission sur le détecteur, et à quoi sert-il ?
- Un prisme de en verre avec a la dispersion angulaire près du minimum de déviation : comparer à celle du réseau ; pourquoi les réseaux ont-ils remplacé les prismes ?
- Pourquoi les plus grands spectrographes astronomiques sont-ils bâtis avec des réseaux d’un mètre de large et utilisés sous de grands angles (la limite ) ?
- Une étoile de magnitude 8 délivre photons par seconde et par nanomètre au télescope : photons par pixel et par seconde sur le détecteur, et rapport signal sur bruit d’une pose de (bruit de photons seul).
- Résumer : les trois nombres qui décrivent un spectrographe (dispersion, pouvoir de résolution, intervalle spectral libre) et ce qui fixe chacun.
Solution
Solution de Problème 21.1.
1. ; .
2. (l’ordre se trouve de l’autre côté de la normale) : à , à , à : de spectre.
3. ; : , soit , par pixel.
4. : , le tiers d’un pixel.
5. Le du second ordre tombe là où le du premier tomberait, au-delà du rouge : pas de recouvrement dans le visible ; il commencerait à , qu’un filtre de verre élimine.
6. : un détecteur en couvre une tranche ; on tourne le réseau pour la choisir.
7. .
8. .
9. Angles , , : , et de la position du .
10. font pixels : séparées.
11. pixels d’écart, chacune large de pixels.
12. , pixels, — vingt fois la limite du réseau : limité par la fente.
13. L’image fait de large : une fente de laisse passer la moitié de la lumière.
14. Moins de lumière pour la même finesse : le bruit de photons croît.
15. , pixels.
16. La vitesse de la Terre décale chaque raie de pixels au plus sur l’année ; les éphémérides la donnent bien mieux que les nécessaires pour .
17. , pixel — très en deçà de la largeur de raie. Un centroïde au centième d’une raie de vaut ; mille raies donnent : pixel — le signal, tout juste. Les instruments réels ajoutent du pouvoir de résolution et de la stabilité.
18. , , : un demi-pixel par kelvin — des millikelvins pour .
19. Ses raies, enregistrées au même instant sur les mêmes pixels, donnent l’échelle des longueurs d’onde et suivent toute dérive.
20. , , même angle (), , même dispersion, ISL : pouvoir de résolution et dispersion ne dépendent que de et de l’angle ; l’intervalle spectral libre a rétréci.
21. ISL ( pixels) ; ; pics larges de : un peigne de raies fines en travers du détecteur, une règle à longueurs d’onde.
22. contre : six fois moins, et le pouvoir de résolution d’un prisme () comme son échelle non linéaire sont perdants aussi ; les réseaux fonctionnent en outre dans l’ultraviolet.
23. : pour un mètre à — largeur et angle sont les seules voies vers le haut.
24. photons par pixel et par seconde ; en : RSB .
25. La dispersion, fixée par et la distance focale de la caméra ; le pouvoir de résolution, par la largeur éclairée et les angles () ; l’intervalle spectral libre, par l’ordre ().