* Repérer (sans les dérégler, ni les toucher!) les différents éléments constituant l'interféromètre, ainsi que les différentes vis de réglage.

Transcription

1 TP L'INTERFEROMETRE DE MICHELSON 1 - Description de l'interféromètre : SP * Repérer (sans les dérégler, ni les toucher!) les différents éléments constituant l'interféromètre, ainsi que les différentes vis de réglage. - Les traitements des miroirs et de la séparatrice de l interféromètre sont très fragiles. Il est donc impossible de les frotter sans risque de détérioration. Le seul nettoyage possible est d éliminer les poussières à l aide d une poire ou d une soufflette. NE JAMAIS FROTTER ET NE JAMAIS TOUCHER LES DIFFERENTES PIECES OPTIQUES - La mécanique est fragile. NE JAMAIS BLOQUER UNE VIS. Si vous n arrivez pas à faire un réglage à cause d une vis bloquée, ne forcez pas et appelez le professeur. - Le prix actuel d un Michelson est de 7000 environ. PRENEZ EN SOIN! Dans tout le TP, éviter d'utiliser les réglages c et d (très délicats!) du miroir M2 2 - Les réglages préliminaires : Le parallélisme entre la compensatrice et la séparatrice est déjà réglé. Nous allons régler grossièrement la perpendicularité des miroirs 21 - A l aide d un laser : Cette méthode utilise l'existence d'éventuelles réflexions parasites de moindre éclairement sur la compensatrice : Compensatrice CP Séparatrice SP Les rayons émergeant du système { SP CP} se réfléchissent sur les miroirs M 1 et M 2. On observe sur l'écran deux séries d'images alignées :

2 1) Agir sur V 1, qui fait pivoter la lame compensatrice autour d'un axe horizontal, pour rendre les deux lignes de points horizontales : 2) Agir ensuite sur V 2, qui fait pivoter la lame compensatrice autour d'un axe vertical, pour n'obtenir que deux points : Les lames compensatrice et séparatrice sont alors parallèles. Remarque : cette méthode ne peut pas être réalisée avec l'interféromètre de type Didalab, les surfaces non utiles de la séparatrice et de la compensatrice étant traitées anti-reflet. Les réflexions parasites n'existent donc pas. 3) Agir enfin sur les réglages fins a et b d'orientation du miroir M 1 de façon à faire coïncider les deux images restantes et n obtenir qu un point unique : Les miroirs M 1 et M 2 sont alors sensiblement perpendiculaires, et font un angle de 45 avec les lames séparatrice et compensatrice A l aide d une lampe spectrale : Eclairer le Michelson à l aide d une source à vapeur de sodium très éloignée de la face d entrée, afin d éviter d être aveuglé, et placer une mire dessinée sur une feuille de papier calque sur le trajet du faisceau, près de la source. Observer directement (en se plaçant en sortie de l interféromètre) les images de la mire. Superposer les deux images de la mire dues aux réflexions sur les miroirs, en agissant sur les vis d'orientation a et b. Quand les images se superposent, cela signifie que les miroirs M 2 et M 1 sont quasi parallèles, et on observe des franges rectilignes d'interférence. On est dans la configuration du coin d air. Si les franges ne sont pas bien contrastées, appeler le professeur afin qu il détermine s il est nécessaire d agir sur le chariot V 3 pour translater le miroir M 1. Si les franges sont trop resserrées, faire doucement pivoter le miroir M 1 par les vis a et b pour augmenter l interfrange. NE JAMAIS RALLUMER UNE LAMPE SPECTRALE DONT L AMPOULE EST ENCORE CHAUDE pour ne pas porter atteinte à sa durée de vie. Par conséquent, ne pas éteindre les lampes entre deux manipulations. 3 - Les franges du coin d'air : 31 - Montage d entrée : Comment doit être l incidence de l éclairage? Compléter alors le montage : M 2 Lampe à vapeur de sodium SP M Montage de sortie : Rappeler où sont localisées les franges : L 1 f' 1 = 100 mm

3 Quel montage doit-on réaliser pour les observer sur un écran? On dispose de deux lentilles minces convergentes L 2, l'une de distance focale 200mm, l'autre de 1m. Laquelle doit-on choisir? Quel lien doit-il exister entre la distance focale f 2 de L 2 et la distance D du miroir à l écran? * Réaliser le montage, en rapprochant le plus possible la source spectrale de l entrée de l interféromètre, afin de bien éclairer les miroirs. * Si on ne voit pas les franges, ou si elles sont mal contrastées, déplacer très lentement le miroir M 1 à l'aide de la vis V 3. Si l'interfrange est trop petit, régler très lentement l'inclinaison de M 1 par les vis a et b. Relever la position de M1 à l'aide de la vis micrométrique Utilisation du vernier sur Michelson DIDALAB : Un système de démultiplication permet d obtenir une avancée du miroir d un millimètre pour un tour de tambour. La lecture du vernier s effectue ainsi : Vernier principal : Rouge Noir

4 Vernier secondaire : graduation noire graduation rouge Rouge Noir 0 LECTURE : 45,685 mm (rouge) ou 4,315 mm (noir) Observation des franges : * Décrire les franges. * En agissant très doucement sur a et b, on modifie l'interfrange ainsi que l'orientation des franges. Pourquoi? 34 Mesure de l interfrange : * Mesurer la distance d entre la lentille L 2 et l écran, ainsi que l'interfrange sur l'écran de projection. d Montrer que le grandissement de l'image vaut γ = 1 f ' 2 En déduire la valeur de l'interfrange sur la surface de localisation. Rappeler l'expression de l'interfrange en fonction de l'inclinaison α des deux miroirs. En déduire une mesure de α (à exprimer en minutes d'angle) Brouillage des franges : * Que se passe-t-il lorsqu on translate M 1 à l'aide de la vis V 3? S'agit-il d'une incohérence temporelle ou spatiale?, puis calculer sa valeur numérique. * Revenir à un bon contraste des franges. Relever la position de M1 à l'aide de la vis micrométrique 4 - Contact optique : Qu est-ce que le contact optique? Comment s'appelle la teinte obtenue? Quelle est la différence entre cette teinte et un brouillage? * Agir délicatement sur les vis d orientation du miroir M1 pour obtenir le contact optique. Relever la position de M1

5 5 - Les franges de la lame à faces parallèles : 51 - Montage d entrée : Comment doit être l incidence de l éclairage? Représenter alors le montage : 52 - Montage de sortie : Rappeler où sont localisées les franges : Quel montage doit-on réaliser pour les observer sur l'écran? Parmi les deux lentilles L 2 à disposition, l'une de distance focale 200mm, l'autre de 1m, laquelle doit-on choisir? Pourquoi? 53 - Obtention et observation des franges : * Effectuer le montage en entrée. Bien éclairer les miroirs. * Enlever la lentille L 2 de 200mm. En translatant M 1 à l'aide de la vis V 3, on doit voir apparaître des portions de franges sur l écran situé à distance finie. * Effectuer le montage en sortie. Agir éventuellement sur V 3 (translation de M 1 ) pour améliorer le contraste. Noter alors la position de M 1 * Remarque : Si les franges sont elliptiques (voire hyperboliques!), cela est dû à un mauvais réglage du parallélisme entre la séparatrice et la comparatrice. Appeler alors le professeur. * Décrire les franges : Comment se comportent les anneaux au centre de la figure lorsqu on s éloigne du contact optique? 54 -Rayon des anneaux : Le rayon du n ième anneau brillant observé sur l'écran est : = f ' 2 ( ε + n 1) * Numéroter les anneaux à partir du centre de la figure, et mesurer leurs diamètres Dn = 2Rn. 2 Par une régression linéaire graphique, tracer D n = f ( n), et en déduire la valeur de la pente α 1. R n λ e (voir cours).

6 * Translater le miroir M 1 en l éloignant de M 2 de e = 30µm, tout en gardant un bon contraste de la figure d interférences. Numéroter les anneaux à partir du centre de la figure, et mesurer leurs diamètres D '. Par une régression linéaire graphique, tracer D '2 n = f ( n), et en déduire la valeur de la pente α 2. * En déduire la valeur de e, distance initiale entre les deux miroirs, en calculant le rapport des deux pentes. En déduire ensuite la valeur de la longueur d onde λ Mesure de l'intervalle λ du doublet jaune du sodium : * Par translation du miroir M 1, mesurer la distance entre plusieurs anti-coïncidences, et en déduire la différence λ entre les deux raies du doublet jaune du sodium. On rappelle qu'entre n anti-coïncidences : λ = ( n ) 2 λ 1 2 e, où e est la distance de translation. 6 - Observations en lumière blanche : 61 Lampe à vapeur de mercure : * Revenir à la position de M 1 notée au paragraphe 53, et remplacer la lampe à vapeur de sodium par une lampe à vapeur de mercure. La lampe à vapeur de mercure comporte une raie verte intense (546,1nm) et un doublet jaune (576,9 et 579,0nm) Teintes de Newton : * A partir du dispositif précédent (lampe à vapeur de mercure), rapprocher M 1 de manière à faire croître le rayon des anneaux qui, pendant l'opération, disparaissent au centre. Atteindre la teinte plate. Noter alors la position de M 1 n * Passer en lumière blanche. Déplacer TRES LENTEMENT M 1 à l'aide de la vis V 3 : on observe différentes teintes appelées teintes de Newton. ATTENTION : le réglage est très précis. * Rechercher la teinte centrale: elle est blanche, pas toujours très lumineuse. On peut même avoir extinction si une différence de marche de λ/2 est introduite par le traitement de la lame séparatrice. Noter alors la position de M 1 (Elle correspond au contact optique, avec une grande précision) Passage en coin d'air : * Faire l'image de M 2 sur l'écran à l'aide de la lentille L 2 utilisée dans la partie 32. * Jouer TRES DOUCEMENT sur a et b jusqu'à observer les franges rectilignes du coin d'air. 64 Mesure de l épaisseur d une lame : * Introduire une lamelle de microscope sur l un des trajets lumineux. Translater ensuite délicatement le miroir M 1 (vis V 3 ) jusqu à la réapparition des franges. Noter la position finale de M1, et en déterminer sa translation d. * En déduire l épaisseur de la lame ε = d ( n 1), avec n = 1, Blanc d'ordre supérieur : * Enlever la lame mince, et revenir aux franges rectilignes du coin d air. * Déplacer M 1 à l'aide de la vis V 3 : les franges défilent, puis se brouillent. Il s'agit ici d'une incohérence temporelle. L'aspect de l'écran est blanc, mais il s'agit d'un blanc d'ordre supérieur. * On peut observer les différentes franges monochromatiques se superposant en utilisant différents filtres optiques