Qu’est-ce qu’un plan optique en interférométrie ?

Qu'est-ce qu'un plan optique en interférométrie ?

Un Optical Flat est un verre prétendument extrêmement plat d’un côté ou des deux. il sera utilisé avec une lumière monochromatique pour déterminer la planéité d’autres objets à l’aide d’interférences optiques.

Qu'est-ce qu'un plan optique en interférométrie ?

Le plat optique est le choix populaire pour la mesure utilisant la technique d’interférométrie, une foule d’autres instruments, communément appelés interféromètres, sont également disponibles. Un interféromètre, en d’autres termes, est l’extension de la méthode optique plate. Alors que les interféromètres ont longtemps été le pilier de la mesure dimensionnelle en sciences physiques, ils deviennent également très populaires dans les applications de métrologie. Alors qu’ils fonctionnent selon le principe de base d’un plat optique. ils offrent des commodités supplémentaires à l’utilisateur. La conception mécanique minimise les manipulations fastidieuses. L’instrument peut être équipé de dispositifs optiques supplémentaires pour le grossissement, la stabilité et la haute résolution. Ces derniers temps, l’utilisation de lasers a considérablement étendu la portée et la résolution potentielles des interféromètres. Laissez-nous discuter de l’appartement optique en détail.

Optique Plat

Les effets d’interférence les plus courants sont associés à des films transparents minces ou à des coins délimités sur au moins un côté par une surface transparente. Les bulles de savon, les films d’huile sur l’eau et les plats optiques entrent dans cette catégorie. Le phénomène par lequel l’interférence a lieu est facilement décrit en termes de plan optique, comme le montre la figure ci-dessous.

Formation de franges dans un plan optique
Figure : Formation de franges dans un plan optique
  • Un plat optique est un disque de verre ou de quartz de haute qualité. La surface du disque est rectifiée et rodée à un degré élevé de planéité.
  • Les tailles des plats optiques varient de 25 à 300 mm de diamètre, avec une épaisseur allant de 25 à 50 mm.
  • Lorsqu’un plat optique est posé sur une surface plane réfléchissante, il s’oriente selon un petit angle θ, du fait de la présence d’un coussin d’air entre les deux surfaces. Ceci est illustré dans la figure ci-dessus.
  • Considérons un rayon de lumière provenant d’une source lumineuse monochromatique tombant sur la surface supérieure du plat optique sous un angle.
  • Ce rayon lumineux est partiellement réfléchi au point ‘a’.
  • La partie restante du rayon lumineux traverse le matériau de verre transparent à travers l’entrefer et est réfléchie au point « b » sur la surface de travail plane.
  • Les deux composantes réfléchies du rayon lumineux sont collectées et recombinées par l’œil, ayant parcouru deux chemins différents dont la longueur diffère d’une quantité « abc ».
  • Si ‘abc’ = /2, où est la longueur d’onde de la source lumineuse monochromatique, alors la condition d’interférence complète a été satisfaite.
  • La différence de longueur de chemin est la moitié de la longueur d’onde, une condition parfaite pour une interférence totale, comme expliqué dans l’article précédent Interférence optique.
  • L’œil est maintenant capable de voir une tache d’obscurité distincte appelée frange.
  • Considérons ensuite un autre rayon lumineux de la même source tombant sur le plan optique à une faible distance du premier.
  • Ce rayon se réfléchit aux points ‘d’ et ‘e’. Si la longueur ‘def’ est égale à 3λ/2, alors l’interférence totale se produit à nouveau et une frange similaire est vue par l’observateur.
  • Cependant, à un point intermédiaire entre les deux franges, la différence de trajet entre deux portions réfléchies du rayon lumineux sera un nombre pair de demi-longueurs d’onde.
  • Ainsi, les deux composantes de la lumière seront en phase et une bande lumineuse sera visible à ce stade.

Pour résumer, lorsque la lumière d’une source lumineuse monochromatique est amenée à tomber sur un plan optique, qui est orienté à un très petit angle par rapport à une surface réfléchissante plane, une bande de taches claires et sombres alternées est vue par l’œil. La figure ci-dessous illustre le motif de franges typique vu sur une surface plane vue sous un plat optique.

Franges d'interférence
Figure : franges d’interférence

Dans le cas d’une surface parfaitement plane, le motif des franges est régulier, parallèle et régulièrement espacé. Tout écart par rapport à ce modèle est une mesure de l’erreur de planéité de la surface mesurée. Les motifs de franges fournissent des informations intéressantes sur la surface inspectée. Ils révèlent les conditions de surface comme les courbes de niveau sur une carte.

Les motifs de franges révèlent les conditions de surface
Figure : Les motifs de franges révèlent les conditions de surface
Motif de franges État de surface
UNE Le bloc est presque plat sur toute sa longueur.
B Les franges se courbent vers la ligne de contact,
montrant que la surface est convexe et haut au centre
C La surface est concave et basse au centre.
La surface est plate à une extrémité mais devient de plus en plus convexe
E La surface s’abaisse progressivement vers le coin inférieur gauche
F Il y a deux points de contact,
qui sont plus élevés par rapport aux autres zones du bloc
Tableau : Motifs de franges et états de surface résultants

La figure ci-dessus illustre des motifs de franges typiques, et le tableau offre des conseils utiles sur la nature des surfaces correspondant aux motifs. Une fois que nous reconnaissons les configurations de surface à partir de leurs motifs de franges, il est beaucoup plus facile de mesurer les configurations.

Mesure à l’aide de plats optiques

L’une des utilisations évidentes d’un plat optique est de vérifier les hauteurs des blocs de jauge de glissement. La jauge de glissement à contrôler est conservée à côté de la jauge de référence sur une table plate. Un plat optique est ensuite placé au-dessus des deux jauges, comme le montre la figure ci-dessous.

Mesure de la hauteur à l'aide d'un plat optique
Figure : Mesure de la hauteur à l’aide d’un plat optique
  • Supposons que A est le bloc étalon de référence standard tandis que B est le bloc étalon qui est inspecté.
  • Une source lumineuse monochromatique est utilisée et les motifs de franges sont observés à l’aide d’une loupe.
  • On peut voir sur la figure que le méplat optique fait des inclinaisons de q et q’ avec les surfaces supérieures des deux jauges de glissement. Idéalement, les deux angles devraient être les mêmes.
  • Cependant, dans la plupart des cas, les angles sont différents en raison de l’usure de la surface de la jauge de glissement qui est inspectée.
  • Cela peut facilement être vu en regardant le motif de franges qui se forme sur les deux jauges, comme on le voit sur les images agrandies.
  • Les franges vues sur les deux jauges sont parallèles et de même nombre si les deux surfaces sont parfaitement planes ; sinon, le nombre de franges formées sur les deux jauges diffère, en fonction de la relation entre q et q’.

Soit maintenant N le nombre de franges sur le bloc de référence sur une largeur de 1 mm. Si la distance entre les deux jauges de glissement est L et est la longueur d’onde de la source lumineuse monochromatique, alors la différence de hauteur h est donnée par la relation suivante :

h = LN/2je

Cette procédure simple peut être utilisée pour mesurer de très petites différences de hauteur dans la plage de 0,01 à 0,1 mm. Cependant, la précision de cette méthode dépend de la précision de la plaque de surface et de l’état des surfaces de l’échantillon sur lequel repose le plan optique.

Il est difficile de contrôler le ‘lay’ du plan optique et ainsi d’orienter au mieux les franges. Le motif de franges n’est pas visible directement au-dessus et l’obliquité qui en résulte peut provoquer une distorsion et des erreurs de visualisation. Une meilleure façon d’effectuer des mesures précises est d’utiliser un interféromètre. Alors qu’une variété d’interféromètres sont utilisés en métrologie et en sciences physiques, deux types sont l’interféromètre de planéité NPL et l’interféromètre à jauge Pitter-NPL.

Conclusion