Holographie Populaire

F. M SANCHEZ, février 2002
Francis.sanchez@enseignement.u-psud.fr

Chapitre 1 : Le Principe holographique

Chapitre 2 : Questions sur l'holographie

Chapitre 3 : L'effet laser ou la faillite du réductionisme

Chapitre 4 : Applications - Préservation et diffusion des oeuvres d'art

Chapitre 5 : La pratique : le montage holographique

L’Histoire de l’Holographie est édifiante, à plus d’un titre. L’engouement extraordinaire qui s’est manifesté dans les années 1960-70 n’a pas débouché sur une prolifération des hologrammes. Au contraire, on a assisté à celle des " pseudo-grammes ". Mais rien n’est plus éloigné d’un véritable hologramme que ces images irisées et fugaces sur les cartes de crédit ou les billets de banque, que personne ne regarde, et qui font un tort considérable à l’holographie proprement dite.

L’Holographie fut découverte suite à un processus de simplification. L’ingénieur anglais d’origine hongroise, Dennis Gabor, cherchait en 1947 à produire des images sans lentilles. Car il travaillait en microscopie électronique, où les lentilles électrostatiques étaient non seulement beaucoup plus difficiles à fabriquer que les lentilles optiques, mais beaucoup moins performantes.

L’histoire raconte que Gabor eut l’ idée de l’holographie lors d’une partie de tennis… Dans son allocution Nobel, il insista sur le caractère simple et non mathématique de cette découverte. En effet celle-ci repose sur le parallèle entre les propriétés ondulatoires des signaux optiques et radio-électriques… Gabor avait considéré avec intérêt le " Principe d’Homothétie ", initialement introduit par Bragg, qui cherchait à obtenir des images des atomes, à partir de la diffraction en faisceau X. Bragg réalisait ensuite un modèle mécanique agrandi dans le rapport des longueurs d’onde entre l’optique et les X. Mais cette technique ne s’appliquait qu’aux seuls cristaux dotés d’un atome lourd au centre de symétrie, car alors la phase était positive dans toute la figure de diffraction, et n’intervenait pas. De la sorte toute l’information était effectivement captée lors de la photographie du spectre.

L’idée " holographique " de Gabor, qu’il publia comme " nouveau principe de microscopie ", fut simplement de superposer au faisceau diffracté un fond cohérent, servant de référence : c’est le principe même de la " porteuse ", une idée typique de la technique radio " à modulation de fréquence ". De la sorte la " phase " du rayonnement était enregistrée sous forme de micro-déformation des franges, et un simple ré-éclairage permettait par simple diffraction sur ces franges de restituer l’intégralité de l’onde, donc de restituer l’information qu’elle véhicule.

On voit sur cet exemple l’intérêt de transposer à d’autres domaines des techniques connues. D’ailleurs, dès notre thèse sur les lasers, nous proposâmes d’emblée d’étendre l’Holographie classique, c’est-à-dire qui stocke une information spatiale, à " l’Holographie temporelle ", permettant de stocker un signal temporel, avec l’idée subséquente d’une " holographie 4D ", préfiguration d’un " cinéma holographique ", qui allait révolutionner plus tard en fait les fondements mêmes de la Physique…

La technique holographique est d’une simplicité extrême, il suffit de trois éléments : deux faisceaux, et un récepteur. Celui-ci enregistre les micro-interactions entre ces trois éléments. L’un des faisceaux est une onde simple, sans information (c’est-à-dire issue d’un seul point), tandis que l’autre véhicule l’ information utile à stoker. Pendant la durée de l’enregistrement la fixité spatiale des micro-franges doit être assurée : c’est la " condition de cohérence ". En ré-éclairant l’hologramme, une fois développé, avec l’onde simple, celui-ci restitue l’onde chargée d’information. De sorte que toute photographie d’un système d’interférence était potentiellement un hologramme…

Comme son nom l’indique – le préfixe " holo " signifiant "  totalité " –, c’est le stockage de toute l’information optique qui a traversé l’hologramme. C’est comme si on avait arrêté la lumière dans sa course, et qu’on pouvait la faire ressurgir à volonté. Un espèce de " clonage " lumineux. A tel point qu’il est, en principe, impossible de distinguer l’original de l’image holographique (en particulier la " vraie couleur " est possible, ce vieux rêve inaccessible des photographes). Les pseudo-grammes des billets de banques, par contre, bien qu’utilisant des techniques de type holographique dans leur fabrication, subissent un retrait énorme d’informations, et ne méritent donc pas vraiment le terme " d’hologrammes ".

Entre 1972 et 1995 nous avons enseigné l’holographie, dans le cadre de Travaux Pratiques pour élèves-ingénieurs (Ecole Supérieure d’Optique), Deug Sciences Orsay (Université Paris 11), Arts Plastiques (Université Paris 8), Ecole d’Optique de Lannion, Formation Permanente du CEA, ainsi que dans la cadre de l’association Omnimages. A relever ce fait significatif que les étudiants qui développèrent le plus l’Holographie furent les " étudiants indépendants ", d’Omnimages, à l’exception toutefois de Gentet, formé à Lannion.

Les élèves-ingénieurs de l’ESO apprécièrent ces TP où les exploits optiques de l’Holographie les fascinaient : imagerie à travers un verre dépoli, reconnaissance d’empreintes digitales, copies d’hologrammes… et m’élirent " meilleur enseignant " de l’Ecole. Le SEPT de Caen, n’ayant trouvé nul labo en France où l’holographie était mieux représentée que dans mes TP, m’a confié en 1986 l’étude sur la reconnaissance d’empreintes digitales. Mais les experts en monétique ne me consultèrent pas, sinon ils auraient appris comment réaliser un hologramme vraiment infalsifiable …

Face au désintérêt pour l’Holographie du tissu industriel qui, en sous-main, dirige en fait l’enseignement des Grandes Ecoles, nous avons exploité le manque de moyens mis à notre disposition comme un avantage pour chercher à corriger et simplifier les montages proposés par les manuels. Car force est de reconnaître qu’une série d’erreurs se sont répercutées d’un manuel à l’autre… La faute originelle se cristallise sur la photographie du montage, page 175 de l’ouvrage " de référence " Optical Holography, Academic Press, 1971. C’est exactement ce montage qui sévissait alors à l’Institut d’Optique, où cette manipulation avait mauvaise presse auprès des étudiants… Et pour cause. La source laser est sur le même banc que le montage, le déclencheur aussi (ce qui exclut d’ailleurs d’emblée toute possibilité de réussir un hologramme avec ce montage), les optiques sont surélevées, des objectifs de microscopes sont utilisés, … tout ce qu’il ne faut pas faire… De plus, ce montage n’est pas le plus simple, quoique présenté comme tel, puisqu’on peut supprimer tous les composants optiques et le banc lui-même (voir chapitre sur l’" Holographie Directe ") !

C’est ainsi que de nombreux laboratoires, ou unités d’enseignement, se plaignirent à moi de ne pas pouvoir réussir le moindre hologramme, et ce parfois pendant plusieurs années. Dans certains cas, il suffisait de placer le laser, source intempestive de vibration (laser à argon refroidi par circuit d’eau), sur une table séparée pour résoudre le problème… Dans d’autres cas, comme à l’Ecole Polytechnique, le montage direct était inconnu, jusqu’à ce qu’un de nos anciens étudiants de Deug, devenu enseignant, à qui j’avais fait des démonstrations " hors programme ", le présente en 1995 ! Cette technique fondamentale, d’importance extrême, découverte par hasard par le russe Denisiuk en 1962, avait ainsi mis 33 ans pour atteindre l’école dite " polytechnique ", alors que, dès 1976, j’en avais fait la démonstration dans l’amphitéâtre de l’ENSTA, toute proche. 

L’Holographie est une propriété générale des ondes, mais c’est dans le domaine Optique qu’elle avait d’abord été testée par Gabor lui-même, puis améliorée par les radaristes Leith et Utpatnieks, avec l’aide d’opticiens qui utilisèrent les montages traditionnels, souvent inadaptés aux nouvelles sources de lumière, les lasers cohérents, ces sources providentielles qui facilitèrent grandement la technique holographique. En particulier, les objectifs de microscopes, dont le grand nombre de composants génère des franges d’interférences parasites fit dire à un " responsable " à l’ESO que le " laser est inapte à l’imagerie ", sans réaliser que ces franges parasites portaient en fait l’information sur le nombre excessif inutile des composants de l’objectif de microscope. D’ailleurs, pour souligner ce point, nous faisions des démonstrations en revenant à la goutte d’eau, l’ancêtre de la microscopie, et obtenions des faisceaux remarquablement homogènes, prouvant ainsi l’inutilité des onéreux " systèmes d’épuration " de faisceaux, qu’on retrouvait partout, y compris dans les systèmes industriels, ce qui grevais singulièrement leur efficacité, puisqu’il fallait retoucher constamment le délicat réglage mécanique…

Nos premières techniques simplifiées furent décrites par l’un de nos étudiants de formation permanente, un retraité passionné du CEA, Jean Héraud (" Holographie ", éditeur Dunod préfacé par nos soins,), ce qui permis aux amateurs de faire des hologrammes en tous lieux (intérieur de musée, grotte préhistorique…). Montages qu’on retrouve ensuite dans la volumineuse seconde édition de l’amateur photographe Saxby. Suite à la démonstration en 1997 d’un hologramme infalsifiable en fausse couleur de 1 m^2 avec un faisceau sécuritaire d’1 mW, document d’un seul tenant comportant autant d’information que la bibliothèque du Congrès (10^15 bits), des étudiants prirent les brevets de l’Hypsochrome (codage du relief par la fausse couleur), de la technique de balayage permettant les grands hologrammes, et du principe de " l’Holopanoragramme ", où l’observateur est entouré d’images holographiques flottantes. Nous annonçâmes alors la possibilité pratique de réaliser un hologramme " architectural " de 100 m^2…

Mais aucun sponsor ne s’est présenté... Du coup, le fabricant de grands films holographiques a arrêté sa production… Quant aux brevets de nos étudiants, leur exploitation fut barrée par des " expertises anonymes " provenant de l’Académie des Sciences, au " motif " que " l’holographie était en vogue dans les années 70, mais ne présentait plus d’intérêt "… La relance de l’holographie ainsi bloquée sous le prétexte qu’elle n’a pas été faite ailleurs ! – ça ne s’invente pas – Le projet de recherche en Holographie couleur de Omnimages fut bloqué par un rapport du Ministère de la Culture, au prétexte – ça ne s’invente toujours pas – : que " Sanchez est inconnu "… A Orsay, ma proposition d’introduire l’Holographie dans le Deug " Sciences de la Matière " fut écartée par le responsable du module, qui préféra investir dans des manip clefs en main de la Physique du 19ieme siècle (il faut dire que mon Principe Holique dont j’avais essayé de faire sentir l’importance était un célèbre sujet de moquerie à Orsay). Heureusement, Yves Gentet, parvint à maintenir le flambeau, en poursuivant tout seul les recherches sur l’Holographie couleur…

Ce mépris d’un Système soi-disant " scientifique " pour l’holographie populaire s’inscrit dans la dérive " formaliste " qui accorde trop d’importance aux mathématiques, au détriment de la pratique. Ainsi, même de grands physiciens, tels Eddington et Hoyle, furent mis à l’écart du Système, pour cause de vulgarisation intempestive. De nos jours, Paul Davies, ce chercheur australien, a dû abandonner sa carrière académique pour se consacrer à sa remarquable vulgarisation.

Un ouvrage de référence était donc indispensable, avec un chapitre précisant également ce qu’est réellement un laser, domaine où on relève des incompréhensions fondamentales résultant également de l’absence d’un manuel " repensé " de référence. Notamment pourquoi certains lasers sont incohérents, donc inaptes à l’Holographie. Le présent texte accorde une importance spéciale aux considérations de sécurité, si souvent négligés : il n’est que trop probable que lors de la diffusion prévisible des portraits holographiques, des accidents rétiniens irréversibles ne soient à déplorer…

Mais pour que ce manuel soit accessible au grand public, il fallait le débarrasser de toute formule, sauf le décompte intuitif du nombre holographique, rapport de la surface au carré de la longueur d’onde, qui ne figure d’ailleurs dans aucun ouvrage : cet invariant oublié, lié en optique à la peu connue " conservation de la luminance ", allait se révéler décisif pour sauver la Physique de l’impasse fatale où elle se débattait depuis un siècle. Ce texte est donc aussi destiné aux physiciens, et en particulier aux collègues théoriciens utilisant sans me citer mon " Principe Holique ", dont la Fondation de Broglie a bloqué la publication en 1992, et qui fut reconnu comme décisif pour unifier la Physique Théorique (Maldacena, 1998)… Car les théoriciens ne savent pas vraiment l’utiliser, faute d’en connaître les tenants et aboutissants, en particulier sans voir que sa stricte application réfute le modèle Big Bang (voir la Conclusion).

On trouve donc maintenant (2002) dans la littérature, ou sur le web, une multitude de montages émaillés d’erreurs graves, situés entre les deux catégories extrêmes de techniques holographiques. Celle, de type " universitaire " où c’est un exercice contraignant, souvent décourageant, et celle, directe, où c’est un jeu d’enfant. Ceci est révélateur de la séparation entre deux mondes qui s’ignorent : l’un est le monde " académique ", l’autre le monde " de la rue ". Avec, entre les deux, ces intermédiaires troubles de type " industriel " ou "  médiatique ", qui colportent les idées préconçues et les erreurs des traités de base. Ainsi il est parfaitement faux de dire que toute l’information est incluse dans un morceau de l’hologramme, mais il est exact de dire que le " Principe d’Homothétie ", au prix d’un changement de longueur d’onde dans le rapport du nombre holographique permet une telle " contraction d’information ", et on relève dans les lois de la Physique que la Nature utilise effectivement cette propriété (voir la Conclusion) ! Ces " milieux intermédiaires " favorisèrent notamment cette horreur que sont les pseudogrammes, dits aussi " arc-en-ciel ". Le simple fait de les appeler " hologrammes "  fait un tort considérable à la véritable holographie. L’état actuel de l’Holographie est ainsi l’illustration des dangers d’assujettir les systèmes d’enseignement à des puissances financières. Les intérêts immédiats et financiers prennent le pas sur les intérêts culturels à long terme… A l’époque où, tout au moins en France, les Universités sombrent dans la fatale erreur de copier le " modèle " des Grandes Ecoles, ne pas en tirer toute la leçon de l’infamant sort de l’Holographie, en Biologie notamment, serait criminel, voire suicidaire…

L’holographie est-elle un concept universel ou un " gadget " ? voila la question-clef. Or la réponse est assez évidente : à partir du moment où elle était devenue plus simple que la photo, suite aux simplifications drastiques que nous avions apportées dans les montages, cela devenait un fait culturel universel. S’en emparer et l’introduire massivement dans l’enseignement à tous niveaux aurait scellé l’alliance entre le système éducatif et le Public. Et on n’assisterait pas à cette désertion des jeunes pour les études scientifiques… Car l’Holographie est idéale pour initier ou conforter des vocations scientifiques. Elle est pluridisciplinaire, et permet de rendre familier le concept d’onde, ce point délicat de l’enseignement. Les jeunes sont souvent rebutés par l’excès de formalisme stérile des manuels, et les plus passionnés d’entre eux en sont réduits à faire des expériences mal contrôlées, feux de Bengale, explosifs … avec nombre d’accidents.

Ainsi le système éducatif a failli, avec son éternel " c’est pas au programme "… Classique et désastreuse conception linéaire d’un enseignement trop scolaire. L’avenir allait révéler que c’était en fait cette technique qui allait révolutionner la Physique et toute notre conception du Monde…

Puisse ce manuel contribuer à rétablir l’alliance rompue entre le Public et le Monde scientifique.

Les ondes ont ceci de caractéristique par rapport aux " corpuscules " qu’elles peuvent interférer entre elles : lorsque 2 faisceaux se croisent, à certains endroits les oscillations se contrarient, à d’autres, elles se renforcent. Par ailleurs, elles diffusent quand elles rencontrent une inhomogénéité. Il avait été signalé depuis longtemps que l’onde diffractée sur un réseau d’homogénéités était précisément celle qui formait avec l’incidente un système d’interférence identique au réseau d’inhomogénéité… Réciproquement, la figure d’interférence entre 2 ondes est précisément l’inhomogénéité nécessaire pour qu’une onde se diffracte suivant une autre : c’est ce phénomène remarquable de " transformation d’ondes ", appelé holographie, qui a échappé mystérieusement à des générations de physiciens… On s’est dépêché de donner le prix Nobel à son découvreur Dennis Gabor, comme si on préférait y voir la marque d’un génie, plutôt que la manifestation d’une évidence : habile, mais anti-pédagogique… L’holographie allait devenir le vilain petit canard de la Physique, ou plus exactement un inutile " paon emplumé "… jusqu’au jour où …

Cet exposé commence de manière non conventionnelle : par examiner le produit fini, et termine par l’explication sans calcul, puis dans la leçon à tirer de cette découverte. Ces trois étapes pédagogiques essentielles sont passées sous silence dans les précédents ouvrages.

1.1 La contrainte d’éclairage

L’Holographie Directe peut être considérée comme une extension du procédé Lippman, mais sans objectif : on éclaire directement l’objet à holographier, à travers le support photosensible, placé contre l’objet, avec une onde cohérente simple (" onde sphérique "), qu’il est facile de reproduire. L’onde chargée d’informations qui va émaner de l’objet donnera des franges par interférence avec l’onde simple qui seront statiques, donc photographiables, si l’onde simple est suffisamment cohérente.

ATTENTION. Le concept de cohérence est relatif : certains lasers sont incohérents, totalement inaptes à produire des hologrammes, et inversement, certaines lampes spectrales ont assez de cohérence pour, une fois convenablement filtrées et diaphragmées, permettre des hologrammes.

Mais pendant la pose, le système de franges ne doit pas bouger plus d’une fraction de micron, par rapport au récepteur. Donc l’utilisation de laser continu est réservé aux objets en " dur ", en équilibre thermique avec leur voisinage. Pour les objets foncièrement mobiles, tel un visage, il faut utiliser un laser à impulsion, dont les dangers pour la rétine sont bien plus grands qu’avec les lasers continus : en effet, ils développent une énergie suffisante pour impressionner le film, mais ceci en un temps très court, qui peut être de l’ordre de la nanoseconde. Or la constante de temps de propagation thermique au niveau de la rétine est de l’ordre de grandeur de la microseconde : la chaleur n’a donc pas le temps de se propager, et la température locale monte jusqu’à vaporisation : on perce la rétine avec seulement quelques microjoules focalisés, alors que l’énergie de l’impulsion laser est beaucoup plus grande : quelques joules !!…

L’hologramme ainsi décrit est le plus simple : c’est " l’holographie de base ". Mais, en fait, ce montage a été découvert par hasard, par Denisyuk, en 1962 : il s’est aperçu, qu’avec le montage dit alors " classique ", il holographiait les pièces mécaniques situées derrière la plaque photo. Les premiers montages utilisaient des faisceaux provenant du même coté de la plaque (dits " à porteuse avant ").

L’ hologramme est l’enregistrement des interférences entre une onde provenant d’une scène et une onde cohérente simple, appelée " porteuse ", et ceci quelle que soit la géométrie du montage… Dans le traitement de l’hologramme, les franges d’interférences sont traduites par des micro- inhomogénéités volumiques, soit absorbantes, soit déphasantes, ou encore un micro-relief de surface. En éclairant celui-ci avec la même onde qu’à l’enregistrement, l’hologramme restitue intégralement l’onde qui provenait de la scène et qui est passée dans les limites de l’hologramme.

Si l’hologramme entoure la scène, où s’il est plaqué contre elle, l’hologramme est " intégral " : toute l’information optique de la scène est alors stockée. On obtient une imagerie parfaite.

Principe d’Homothétie : si toutes les dimensions, y compris la longueur d’onde de restitution sont multipliées par un facteur g, l’onde restituée est elle-même dilatée du facteur g.

Remarque " hors-cours " : Comme la matière elle-même se propage par ondes brogliennes, ce qui se manifeste surtout aux niveau des Particules, l’holographie serait un phénomène absolument général si les ondes étaient toujours cohérentes et si l’enregistrement de franges étaient choses naturelle. C’est ce à quoi tendent les recherches en " Holophysique ", qui veut que des mécanismes holographiques cachés (ou extrêmement rapides) sous-tendent les lois de la Physique. En particulier la " sphère de Hubble " se comporte comme un hologramme, et induit des relations de type holographiques entre les Paramètres Physiques, ces nombres mystérieux que nulle mathématique ne décrit…

Pour que les franges ne défilent pas pendant le temps de pose, il faut que les fréquences centrales des 2 ondes soient les mêmes, ou suffisamment voisines, compte tenu du temps de pose. On sait remplir cette condition avec des ondes acoustiques : deux transducteurs distincts peuvent être branchés sur la même alimentation électrique, mais pas avec des sources optiques, car leur fréquence n’est pas exactement la même d’un laser à l’autre. En holographie optique on utilise un seul laser suffisamment cohérent pour alimenter les 2 faisceaux qui interférent pour donner le réseau d’interférences.

Le montage de base est " à porteuse arrière " : l’hologramme est le plus près possible de la scène. Il est techniquement plus simple (contrairement à une opinion répandue) car l’objet peut être fixé rigidement à la plaque (principe de " l’hologramme-contact "). Le problème de stabilité mécanique est ainsi considérablement diminué (voir " montages holographiques ").

Les hologrammes à porteuse avant sont plus délicats, car l’objet doit être situé assez loin de la plaque pour permettre le passage de l’onde porteuse.

Le rendement de conversion entre l’onde de restitution et l’onde diffractée peut atteindre 100 % si celle-ci est simple (onde sphérique). On obtient alors un composant optique parfait pour la longueur d’onde considérée. Mais l’épaisseur du milieu photosensible devient un paramètre critique, car au-delà, le rendement décroît, l’onde restituée commençant à se re-difracter dans le milieu et régénérant l’onde de restitution ! En pratique, pour un objet complexe le rendement est de l’ordre de 30%.

La luminosité de l’image dépend beaucoup de l’angle de champ 2u. Si 2u est faible (objet petit ou très éloigné), toute la puissance diffractée est contenue dans un cône d’angle faible : l’éclairement rétinien sera plus grand que pour l’hologramme intégral, " grand champ ", où 2u est voisin de 180°.

A éclairage donné, un hologramme peut être très lumineux, mais à faible champ. Il comporte moins d’informations qu’un hologramme grand champ qui sera, toutes choses égales d’ailleurs, forcément moins lumineux. Donc le problème de l’holographiste est d’obtenir des images grands champ, et à la limite d’atteindre l’holographie intégrale, avec suffisamment de luminosité.

4.1 L’ombrogramme

Un objet non compact éclairé en lumière directive, (comme c‘est le cas dans l’hologramme-contact), projette une ombre sur un fond diffusant. Cette ombre peut être " holographiée ", même si l’objet bouge légèrement et est donc " invisible " par holographie. En fait seule le fond est holographié, mais l’ombre de l’objet sera visible, mis à part le flou dû à son léger mouvement. Par exemple, en holographiant une montre à trotteuse pendant 10 secondes, on aura les 10 ombres.

4.2 Hologrammes minces

Quand on diminue l’angle de la porteuse avant, pratiquement en deçà de 30°, l’hologramme ne manifeste plus aucun effet Bragg : il se comporte comme s’il était sans épaisseur. On montre alors qu’il se comporte comme un " réseau optique ", ce composant si simple qui a révolutionné la spectrométrie : une série de traits équidistants, (mais dont les déformations locales ont enregistré la phase de l’onde objet). En plus de l’image attendue, il donnera des images supplémentaires, distribuées comme les ordre d’un réseau.

Le Principe d’Homothétie est évidemment plus praticable avec des hologrammes minces, car on peut envisager d’amplifier un hologramme X en utilisant le microscope électronique comme projecteur. On pourrait ainsi réaliser le projet initial de Gabor…

4.3 L’hologramme "  de GABOR "

Le découvreur de l’Holographie, Dennis Gabor était un ingénieur d’origine hongroise travaillant à Londres sur l’imagerie par ondes brogliennes électroniques. Il travaillait à améliorer la résolution des " optiques électroniques ", en fait des bobines, jusqu’au jour où, de guerre lasse, il s’est posé la vraie question " est-ce qu’on pourrait se passer de lentilles pour faire une image ? ". Et il y avait un précédent : celui de Bragg. Celui-ci avait étudié la diffraction des faisceaux X sur certains cristaux, ayant un atome lourd en position centrale de symétrie : on obtenait une figure appelé " spectre de diffraction ", constituée de points disposés d’une certaine façon. En construisant un modèle métallique de cette figure, avec un grandissement g et en l’éclairant avec une longueur d’onde optique dans le même rapport g avec la longueur d’onde X, Bragg obtint la structure atomique de ces cristaux. Cette technique ne marchait pas avec tous les cristaux, car en général, les points de la figure de diffraction présentaient des déphasages, impossibles à enregistrer directement, sauf à … introduire une référence de phase … l’holographie était née.

" L’hologramme de Gabor ", le premier historiquement, est un montage à porteuse avant, mais mono-faisceau : il s’applique donc à un objet " optiquement dilué ", constitué de poussières isolées, ou d’un transparent (Gabor y avait inscrit le nom des 3 " champions " historiques des ondes : Huyghens, Young, et Fresnel). C’est un hologramme mince, où le réseau associé à chaque particule diffractante est du type circulaire, (réseau zoné " de Fresnel), c’est l’ordre -1 qui est utilisé, car il donne une image " externe " (le mot " réelle " est définitivement à bannir), donc projettable sur un écran. Les deux ondes sont mélangées, ce qui nuit à la qualité (interférences parasites), mais c’est un montage qui n’exige que peu de cohérence de la source, ce qui permit à Gabor d’illustrer facilement le principe holographique.

5.1 semi-hologrammes " arc-en-ciel "

On peut artificiellement augmenter le rendement d’un hologramme à relief de surface, par dépôt métallique : ce sont les hologrammes copiables par pressage. Comme tous les hologrammes fins, éclairés en lumière blanche, ils donnent toute une série d’images irisées. En sacrifiant une dimension, on ramène cette irisation au niveau de l’observateur : on obtient une image " arc-en-ciel " : mais ce n’est plus un véritable hologramme, mais un gadget qui nuit aux vrais hologrammes…

5.2 integrammes

Les intégrammes, parfois appelés " multiplexes " sont une série juxtaposée d’hologrammes de photographies, qui sont présentés sous forme de bandes verticales juxtaposées. Ce ne sont pas à proprement parler des hologrammes, puisqu’on passe par des photos : des optiques complexes sont utilisées, alors que par principe même l’holographie est une imagerie sans optique. Or toute optique présente des aberrations, et c’est tout un art de les minimiser. (Rappelons qu’au moyen âge la lentille était interdite, car elle déformait " l’oeuvre du créateur "). C’est un palliatif en attendant les véritables portraits holographiques couleurs. C’est par contre la seule méthode actuellement connue pour enregistrer des extérieurs.

6.1. La Tavelure

Les observations suivantes doivent se faire avec un laser continu à faisceau visible de la classe sécurité 2, où la rétine est protégée, dans le cas extrême où un oeil viendrait à recevoir tout le faisceau, par son réflexe palpébral. Pour le classique laser Néon-Hélium, émettant à 633 nm, la limite de puissance de cette classe 2 est 0.5 mW. Ce type de laser est le plus souvent cohérent transverse : cela se manifeste par l’aspect " tavelé " (en anglais " speckle ") de la tache du faisceau sur un papier blanc.

Pour accentuer le phénomène, plaçons-nous dans une pénombre et envoyons le faisceau sur un objet translucide, et examinons par transparence le faisceau diffus. Les tavelures sont d’autant plus grosses, donc clairement visibles, que l’écran est loin, (à proximité immédiate de l’objet ces tavelures sont de l’ordre de la longueur d’onde, donc indiscernable), mais l’éclairement correspondant à chaque tavelure diminue comme le carré de la distance. De sorte que

C’est la signification de la conservation de la luminance dans un système sans pertes, clef de la photométrie. On augmente cette " puissance par tavelure ", donc la luminance diffusée, et on rend la tavelure plus visible, en focalisant le faisceau laser sur le dépoli. A noter que les composants optiques doivent être stables, sinon, et c’est le cas si on tient l’écran à la main, les tavelures pourraient bouger assez vite pour se dissoudre en un " fond uniforme ". Dans le cas d’une source " incohérente ", les tavelures existent aussi, mais bougent à grande vitesse, et se moyennent donc. Ainsi pour simuler un rayonnement incohérent on peut monter un papier diffusant sur un disque tournant : en augmentant la vitesse de rotation, on voit d’abord les tavelures grouiller de plus en plus vite, puis se moyenner dans un fond uniforme : mais si on prenait un instantané, on verrait qu’elles sont toujours là.

Dans les meilleures conditions expérimentales on observera une " tavelure pure ", où la valeur la plus probable de l’intensité est zéro : on verra essentiellement des points lumineux sur un fond noir. Par contre, si le laser fonctionne sur un nombre de plus en plus grand de modes transverses, on tend vers un fond lumineux sur lequel on verra de moins en moins de tache noires : cet éclairage est alors " incohérent " et impropre à l’holographie.

Remarque : en observant un plan " tavelé " avec un œil, l’observateur, en déplaçant la tête peut tester " l’amétropie " éventuelle de cet œil. En effet un myope va localiser les tavelures dans un plan situé entre l’écran et lui, de sorte qu’en déplaçant légèrement la tête, il verra les tavelures défiler en sens contraire. Pour un hypermétrope, le défilement se fera dans le sens même du déplacement de la tête. Pour un œil " astigmate ", le déplacement se fera de travers, sous un angle lié à la dissymétrie de cet œil.

6.2. LE NOMBRE HOLOGRAPHIQUE

On appelle " nombre holographique ", le nombre de variables qu’il serait nécessaire de préciser pour caractériser complètement l’hologramme. Si on voulait réaliser une " télévision holographique ", où plus généralement, une Holographie synthétique dynamique, (l’Holophysique suppose que c’est effectivement ce qui se passe dans la Nature) ce serait le nombre de " canaux indépendants " nécessaire. C’est un grand invariant qui ne dépend pas de la façon dont on procède, en particulier il est égal au nombre statistique de tavelures inclus dans la surface de l’hologramme. Si l’hologramme est à proximité immédiate de l’objet, ce nombre est à son maximum, inversement proportionnel au carré de la longueur d’onde. Comme la longueur d’onde optique l est 10 à 100 fois plus petite que la taille d’un grain de photographie, l’information sera de 100 à 10000 fois plus grande. Mais si l’objet n’est vu depuis l’hologramme que sous un angle de champ maximal 2u, la dimension d’une tavelure est de l’ordre de l/sinu (c’est l’interfrange entre une onde normale à l’hologramme et une onde inclinée sous l’angle u), le nombre holographique est donc réduit dans la proportion sin²u :

N = sin²u ^. S/l ²

où le produit sin²u ^. S, est 1/p fois la classique " étendue géométrique du faisceau " définie par la géométrie relative de l’objet et l’hologramme. La conservation du nombre holographique N se traduit donc par la conservation de cette étendue géométrique, qui est présentée dans les manuels d’Optique comme la " quantité de rayons lumineux ", ce qui n’a pas de sens physique, car on ne peut isoler un rayon lumineux : si on cherche à le faire, la diffraction produit l’effet contraire.

Remarque. Cette " étendue géométrique " se conserve quand le faisceau passe à travers un système optique. Mais dans un milieu de propagation différent, caractérisé par l’indice de réfraction n, la longueur d’onde change : l = l₀/n, car l’invariant ondulatoire est la fréquence n, représentée par la longueur d’onde l₀ = c/n qu’aurait le rayonnement s’il se propageait dans le vide, l’invariant géométrique est en fait " l’étendue optique " n²sin²u S : sa conservation est liée à la condition " d’aplanétisme " de Lagrange, et le produit n^.sinu est appelée " ouverture numérique ". 

Le concept énergétique important, invariant par propagation dans un milieu sans perte, comme vu plus haut, est la " puissance cohérente " d’une source, ou " puissance moyenne par tavelure ", c’est donc

p = P/N = P l²/Ssin²u

Pour un faisceau cohérent, il y a un seul " canal ", le faisceau réagit comme un seule entité : c’est l’origine étymologique du terme " cohérence " : N = 1, p = P : toute la puissance participe à la luminance.

Pour une source thermique, le rayonnement est isotrope : u = 90°, sinu = 1 : la puissance cohérente est celle émise par une airel²de sa surface, et l’éclairement le long de la normale à un disque varie comme sin²u, u étant le demi-angle de champ sous lequel est vu la source au point considéré.

D’ailleurs, avant l’apparition du premier laser, Leith et Upatnieks, des radaristes, parvinrent à réaliser de vrais hologrammes (1962), à porteuse avant, à l’aide d’une raie d’une lampe spectrale. Un problème essentiel avec ce type de lampe, capable d’éclairer toute une pièce, est l’élimination de la lumière inutile : la source doit être encagée. C’est exactement le même problème pour un laser : le tube à décharge Hélium-Néon émet dans toutes les directions, mais le diamètre du tube est choisi de façon telle que seule une tavelure (ou un canal) peut se propager : c’est dire que l’étendue géométrique WS doit être voisine de 2pl². Or pour un faisceau cylindrique longueur L, on a W = S/L², ce qui conduit à un diamètre d de l’ordre de la moyenne géométrique de la longueur d’onde et de la longueur de la cavité. Pour une cavité de l’ordre du mètre, ce diamètre est donc de l’ordre du millimètre.

ATTENTION. Un laser est souvent considéré comme " automatiquement " cohérent. Rien n’est plus faux. Ainsi on a vu des constructeurs laser annoncer des applications holographiques avec les lasers à vapeur de cuivre, de diamètre 50 mm. Par principe même, d’après le calcul élémentaire ci-dessus, ces lasers ne peuvent être cohérents !

Un bon test pour l’examen de la cohérence transverse d’un laser est l’examen de sa tache à grande distance. Pour un laser réputé " TEM OO ", elle doit être parfaitement circulaire. Certaines diodes lasers atteignent des degrés de cohérence permettant l’holographie, ce qui favorise la vulgarisation de l’holographie, compte tenu de leur faible coût. Mais le problème se translate au niveau des films holographiques. La façon catastrophique avec laquelle cette technique a été freinée explique que nombre de fabricants ont dû arrêter leur productions. Seuls certains fabricants d’Europe de l’Est se sont maintenus, grâce à l’école russe d’holographie d’art.

Leith et Upatnieks ont fait leurs hologrammes au moment même où le laser était découvert (années 1962-64). Ils ont eu l’occasion de comparer l’utilisation de celui-ci avec une lampe filtrée. Il est apparu que la prise d’hologramme était beaucoup plus facile avec le laser, mais que pour restituer l’image, la lampe était préférable, car la tavelure disparaît à la restitution. Ainsi, pour la réalisation d’un hologramme, on a besoin de la cohérence totale (tavelures très marquées), mais pour la restitution " partielle " suffisante pour un examen visuel, il est préférable d’utiliser le rayonnement semi-cohérent d’une lampe diaphragmée. Mais pour une restitution intégrale de l’information, la tavelure devient très gênante si l’on prétend définir des images à la résolution optimale (la longueur d’onde), et si l’on ne pratique pas l’holographie intégrale.

La non reconnaissance de ce fait a freiné les développements industriels de l’holographie en micro-imagerie (semi-conducteurs). Pratiquement, l’holographie intégrale ne peut se pratiquer qu’en porteuse arrière, mais si on veut projeter une image parfaite sans être gêné par l’onde de restitution, il faut recourir au montage " réflexion totale arrière " la porteuse devient " interne " : c’est l’onde évanescente se propageant dans le support photosensible. Le montage à porteuse arrière donc bien le " montage de base ", alors que les manuels le considèrent généralement comme " annexe ".

On peut affirmer que les incompréhensions fondamentales résultant de l’absence d’un bon traité d’Optique ont freiné considérablement le développement de l’Holographie. Il est frappant de constater que ce sont des électroniciens et radaristes qui ont découvert l’holographie, et non des opticiens... D’où cela vient-il : simplement du fait que l’Optique est enseignée à partir du concept de " rayon lumineux ", qui est très différent du concept " d’onde globale ". On peut y voir un exemple du danger du " réductionnisme " : considérer un faisceau comme un " ensemble de rayon lumineux ". C’est en fait stupide, car dès l’instant où on veut sélectionner un rayon lumineux, en plaçant un petit diaphragme, on obtient l’effet inverse : à mesure où le diaphragme se rapproche de la longueur d’onde, la diffraction se manifeste. On retrouve un peu le même problème quand on cherche le " déconfinement du quark ".

C’est donc bien par une vision globale de l’onde qu’il faut commencer l’enseignement de l’optique, et considérer les " rayons lumineux " comme des concepts secondaires : simplement les normales aux surfaces d’onde (avec d’ailleurs une distinction qui apparaît dans les milieux biréfringents, où l’énergie lumineuse ne se propage plus suivant les normales aux surface d’onde). Contrairement à ce qu’on pourrait penser, la formule de conjugaison d’une lentille est alors beaucoup plus simple à comprendre : elle relie simplement les courbures des ondes, c’est-à-dire l’inverse des distances à la lentille.

Le comble est de traiter l’optique par des matrices commandant les " rayons lumineux ", une spécialité des grandes écoles françaises, qui n’ont toujours pas réalisé les dangers du formalisme catastrophique qui a éradiqué la vraie Physique depuis le début du 20^ième siècle.

LONGUEUR DE COHERENCE AXIALE

Il y a deux types de cohérence : la cohérence transverse, impliquée ci-dessus, qui exige que les vibrations dans un plan transverse sont à l’unisson (onde simple) ou à déphasages constants (onde chargée d’information).

Le deuxième type de cohérence est la " cohérence axiale " : elle est lié à la qualité de " quasi-monochromaticité " de la source. La largeur spectrale dn d’une source, même pour le meilleur laser, n’est jamais nulle et cela se traduit par une longueur de cohérence axiale limitée du rayonnement. C’est la longueur pendant laquelle on peut assimiler l’onde à une sinusoïde : elle est inversement proportionnelle à la largeur spectrale : l = c/dn. Par exemple pour le laser Néon/Helium, dont la largeur est de 2 GHz, cela correspond à une longueur de cohérence de 20 cm, tout à fait comparable à celle de certaines raies de " lampes spectrales ". C’est dire que dans le montage holographique de base, on pourra obtenir une profondeur de 10 cm. En utilisant un laser " monofréquence " cette longueur est beaucoup plus grande (de 100 m et plus), c’est plus qu’il n’est besoin pour l’usage holographique car, à la restitution, plus on veut voir les détails lointains, plus les conditions d’éclairage doivent se rapprocher de l’onde cohérente utilisée à la prise de vue. Avec une source de petite taille (lampe à iode) courante une profondeur de ±10 cm (image " à cheval " sur l’hologramme, voir la technique de " double holographie ") suffit généralement pour les hologrammes individuels, de poche, où de salon. A noter que les hologrammes à porteuse arrières, compte tenu de l’épaisseur courante des gélatines de quelques microns comportent assez de strates séparées de 0.1 micromètres pour donner l’effet " de sélectivité suffisant, qu’on appelle effet " Bragg " (c’est pourquoi ces hologrammes " de base " sont appelés parfois " hologrammes de Lippmann-Bragg "). Ce n’est pas le cas des hologrammes à porteuse avant, où l’orientation des franges n’étant plus parallèles aux faces de l’hologramme, il y a un très petit nombre de strates qui interviennent, de sorte que la sélectivité spectrale est beaucoup plus faible : si on éclaire avec une lampe blanche, toutes les couleurs du spectre vont leur propre image, et ces images sont décalées : on obtient une irisation en " arc en ciel " de l’objet.

On peut considérer que l’hologramme de base, qui comporte un empilement stratifié de p hologrammes élémentaires, enregistre également la longueur d’onde de prise de vue. C’est une autre façon de décrire la sélectivité par " effet Bragg ", et est à la base de la chromo-photographie Lippmann.

Je pensais que pour fabriquer un hologramme, il était nécessaire d'utiliser deux lasers de même longueur d'onde et cohérents. Mais je ne comprends pas comment on peut obtenir un effet de couleur alors que les lasers sont monochromatiques.

Pourquoi voit-on des reflets un peu roses sur ton hologramme de saxophone? D'où cela vient-il?

De plus je croyais que pour "lire" un hologramme, il était nécessaire d'utiliser une source de lumière de même longueur d'onde que celle utilisée pour la fabrication de l'hologramme. Or j'ai pu admirer ton hologramme sousune lumière "blanche" ou quasi blanche. Comment expliquer cela? Le peu delumière qui correspond à la bonne fréquence est-il suffisant?

Ton hologramme est courbe: comment t'y prends tu pour le fabriquer?

Une onde quelconque préserve son information en se propageant dans un milieu homogène, c’est ce qui permet l’holographie. Mais, de plus, le milieu, s’il est convenablement " préparé " va amplifier l’énergie véhiculée par l’onde, à information constante : cet " effet laser " (le terme technique, maladroit, est " émission stimulée ") est contraire à l’intuition courante, qui veut qu’un faisceau lumineux ne peut que s’affaiblir en traversant un matériau. L’existence de l’effet laser affirme que l’atténuation d’une onde par " absorption ", telle celle qui protège les yeux dans des lunettes de soleil, est un phénomène réversible ! Cette " absorption négative " est obtenue quand il y a " inversion de population ", c’est-à-dire quand il y a plus d’atomes en situation d’émettre qu’en situation d’absorber. Et ceci pour un couple quelconque de niveaux d’énergie de l’atome. Or, comme à l’équilibre thermique tous les atomes sont dans leur niveau le plus bas, il suffit qu’un niveau supérieur soit favorisé pour déclencher une inversion de population par rapport aux niveaux intermédiaires, pratiquement vides : le milieu amplifie alors toute onde qui se présente une des bonnes fréquences. Si le milieu a une dimension préférentielle, l’amplification laser le long des grandes dimensions sera favorisée, et on assistera à des " bouffées laser ". C’est ce qu’on a observé dans l’atmosphère martienne, et qui fut d’abord interprété comme des " signaux d’extraterrestre ".

Ces " effets lasers " naturels n’avaient pas été prévus. Ce qui fait montre d’une incompréhension générale de ce phénomène. On trouve dans les manuels " l’effet laser " présenté comme un troisième type d’interaction lumière-matière, " l’émission stimulée " venant s’ajouter à " l’émission spontanée " et " l’absorption ", sans mentionner qu’il est l’inverse temporel du phénomène d’absorption !

Car le modèle naïf du " photon-particule " d’Einstein interprète l’ émission stimulée, (c’est-à-dire provoquée par un faisceau incident) sous forme de l’apparition d’un nouveau photon en provenance d’un atome particulier : or ses dimensions étant très inférieures à la longueur d’onde, ce photon devrait partir dans n’importe quelle direction. Ce n’est pas le cas : il faut plutôt considérer que l’émission stimulée est un phénomène collectif. De Broglie parlait d’un photon secondaire émis " en onde ", mais il est plus juste de considérer qu’un milieu laser se comporte comme un " atome géant ". Il est donc dangereux de croire que les lois de la Physique microscopique sont distinctes des lois macroscopiques… C’est pourtant ce que décrivent les traités de Mécanique Quantique, rédigés à la hâte dans les années 30. On se souvient de la phrase malheureuse de Dirac dans son premier traité : " La chimie est devenue une application des mathématiques ", qu’il enleva lors de la deuxième édition, mais cette idée " réductionniste " est restée, et continue ses ravages conceptuels. Un peu comme en Biologie, le tout est plus grand que la somme de ses parties. L’effet laser n’est donc pas une " invention " artificielle mais bel et bien une découverte fondamentale. Il est donc utile et nécessaire d’inventer un verbe nouveau, pour l’exprimer :

Dans ces conditions d’un " réductionnisme béat " on ne peut s’étonner de voir apparaître d’autres effets macroscopiques totalement inattendus par les " spécialistes ", comme la supraconductivité à température relativement haute. Par extrapolation, les phénomènes vitaux devraient faire appel à des processus physiques collectifs non découverts !

On a parlé de " température négative ", mais ce terme est trompeur, car le concept de température e rapporte à un équilibre thermique, caractérisé d’ailleurs par le fait que plus un niveau est énergétique, moins il est peuplé. De sorte qu’il est vrai qu’il est nécessaire de rompre cet équilibre pour provoquer l’inversion de population, mais il suffit en pratique de sur-peupler un seul niveau, d’énergie assez élevée, pour engendrer plusieurs inversions de population. Lors d’un processus d’excitation, quand un niveau d’énergie supérieur se trouve surpeuplé, il y a en général plusieurs niveaux inférieurs qui sont moins peuplés :

Un effet laser est souvent polychromatique

Cette remarque essentielle s’applique par exemple au laser Argon, (Watt continu), très utilisé en micro-chirurgie oculaire, où on traite la périphérie rétinienne, qui peut tolérer sans dommages des destructions locales. Mais une atteinte de la rétine centrale s’avère catastrophique. Or les " protecteurs oculaires " livrés avec ces lasers couvrent une certaine partie du spectre du laser, capable d’émettre ses principales raies dans le vert et le bleu. Mais qui peut le plus peut le moins : d’après les considérations ci-dessus, on peut s’attendre à ce que ce laser délivre des raies infra-rouges, invisibles donc, mais de puissance suffisante pour brûler la rétine centrale. C’est effectivement ce qui se passe : les raies laser intempestives sont bien là. Or ce fait n’est mentionné nulle part (sauf une mise en garde de notre part dans une revue de sécurité Radioprotection, Gédim supp au n°1 pp 63-70 (1984)). Le danger est qu’un personnel, se croyant faussement protégé par les " protecteurs oculaires " soit tenté d’examiner dans l’axe du laser.

On lit souvent que le laser est un exemple d’application de la théorie Quantique, mais rien n’est historiquement plus faux. Aucun traité ne mentionne le fait que quand le premier laser a été fabriqué, par Maiman en 1960, sa publication a été rejettée, (lançant un processus judiciaire de 20 ans). Car d’après les " spécialistes " ce laser n’était pas possible. Maiman avait simplement utilisé un barreau " Maser ", (le M indique " Micro-ondes "), il en avait métallisé les faces, de manière à artificiellement augmenter la distance linéaire par ce jeu de miroirs, et il avait inséré le barreau entre les spires d’une lampe flash de photographie ! c’était une véritable provocation technique contre u monde trop " académique "… Mais au cours des 2 années suivantes, une centaine d’effets lasers furent revendiqués de part le monde… Ce processus de blocage-pillage est devenue monnaie courante dans un " système scientifique " qui a oublié ses propres principes, en particulier que l’expérimentation a le pas sur la théorie. Dans ces conditions, technique et théorie devraient aller de pair dans une vraie démarche scientifique. Ce n’est pas du tout le cas. Un " principe de suffisance " est à l’œuvre qui présuppose que tous les phénomènes de base sont compris, ou pire, qu’il n’y a rien à comprendre (en particulier Feynmann, pourtant considéré comme un bon pédagogue !) et les gens s’étonnent ensuite de constater une désaffectation générale des jeunes pour la Physique !

Brillouin avait insisté sur le fait que si les lois de la physique paraissent réversibles, les conditions initiales ne le sont généralement pas, ce qui fait de la Physique dans son ensemble, une discipline irréversible. Mais l’effet laser montre que tel n’est pas le cas : la cohérence d’ensemble d’un cristal (et l’industrie laser est grande consommatrice de monocristaux) induit une cohérence dans le fonctionnement de l’interaction matière-lumière. Nul apparemment n’a songé à utiliser ce phénomène en sens inverse, pour faire croître des monocristaux à partir d’une onde cohérente (il se pourrait que cette idée s’applique en Biologie).

Cet effet laser peut être utilisé comme simple " amplificateur de luminance " d’un faisceau préexistant, ou soit comme " amplificateur d’une onde cohérente sélectionnée par une cavité " : c’est l’oscillateur laser, ou laser tout court. Ce mot provient de l’acronyme " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ". La chaîne laser est la combinaison des deux système : un "oscillateur laser" met en forme une onde très cohérente, puis une série d’amplificateurs met de l’énergie dans cette onde.

A noter que pendant longtemps, le laser fut appelé " Maser optique ", terme ambigu puisque le M se rapporte au domaine micro-onde. La leçon n’a pas été entendue, puisque maintenant on nous sort le " laser X " alors qu’il faut bien sûr dire " xaser ". a ce compte-là, pourquoi ne pas l’appeler " Maser optique X " !

Pour réaliser un oscillateur laser cohérent, il faut que la longueur du milieu laser L et sa section S soient tels que le nombre holographique (voir chapitre précédent) soit 1, ce qui se traduit par s²/l²L² = 1, et peut s’écrire :

S/l² = L²/S = L/l

Ce rapport de la longueur du laser à la longueur d’onde, en optique de l’ordre de 10⁶, est à un facteur 2p près le nombre holographique maximal correspondant à la section S, c’est-à-dire avec émission dans toutes les directions. Si l’émission stimulée était incohérente, elle viendrait renforcer l’émission spontanée qui émet de façon équirépartie dans tous ces canaux, donc de manière isotrope. Mais en fait elle s’aligne sur le canal prédominant : toute l’énergie est alors concentrée dans le canal sélectionné par la géométrie rectiligne du laser. Ainsi un laser-boule n’aurait en principe aucun intérêt. On peut ainsi voir le laser Néon/Hélium comme une lampe à décharge dans l’Hélium, gaz majoritaire, mais où, du fait d’une coïncidence énergétique entre des niveaux de l ‘Hélium et Néon, il se crée une inversion de population dans celui-ci. Alors grâce à une cavité bien conçue, où le pouvoir de réflexion est suffisamment élevé, le gain par passage du mode fondamental excède les pertes, et on a une croissance exponentielle de l’énergie sur ce mode. En final, on obtient un fonctionnement continu, où la raie du néon, au lieu d’illuminer toute la pièce, est contrainte d’émettre dans le mode fondamental …

L’utilisation d’une cavité donne naissance à un mode de vibration fondamental, qu’on appelle TEM00, dont le profil est " gaussien ", caractérisé par une décroissance très rapide sur les bords. Il faut insister que, fondamentalement, un laser cohérent ne nécessite pas l’utilisation d’une cavité. L’absence de miroirs pour faisceaux X a fait craindre qu’on ne pourrait jamais obtenir le " Xaser ". En fait il suffit d’exciter un milieu qui possède une transition énergétique dans le domaine X, sous forme d’une ligne d’excitation qui filtre un seul canal ondulatoire, de manière suffisamment rapide pour provoquer une inversion de population, avec un premier " laser d’excitation ", le terme courant, maladroit lui aussi, étant " pompage ", ou même la " pompe ", source de confusions).

L’excitation doit être d’autant plus rapide qu’on s’intéresse à des domaines de longueur d’onde de plus en plus courtes. Cela est dû au fait que l’émission spontanée, qui tend à vider le niveau que l’on cherche à peupler, est d’autant plus à craindre que la longueur d’onde est courte. En effet, la formule ci-dessus montre que, dans une section donnée, le nombre spatial de modes de désexcitation est inversement proportionnel au carré de la longueur d’onde.

Le succès populaire du terme " laser " s’explique par les romans et films de science-fiction, où dans l’inconscient collectif, il est toujours associé à un effet destructeur. Par exemple, ce petit faisceau qui vient lire le code-barre dans les caisse de supermarché, même les caissières ne peuvent croire – et on prend bien garde de le leur dire – que c’est un vrai faisceau laser.

Inversement, la " perversion terminologique " va jusqu’à nommer " laser " un ballon, une marque de lessive, un modèle de voiture… Le mot sonne bien et est à la mode, exactement comme était la " radio-activité " au début du 20^ième siècle… Mais la différence entre radioactivité et laser, c’est qu’un laser ça se voit tout de suite, voilà ce que pense le peuple, à la grande honte du système éducatif !

Mais le système éducatif est contrôlé par un lobby " scientifique " international… Il semble que cette " psychose du laser " ait joué un rôle dans cette gigantesque escroquerie que fut la " guerre des étoiles ", où ce lobby " scientifique " s’arrangea pour récolter des fonds aux USA… On voit sur cet exemple combien il est facile, pour des " scientifiques " peu scrupuleux, de berner des " politiques ", dont on ne peut démocratiquement reprocher d’être issu du peuple… Mais, par contre, on doit s’insurger contre l’absence dramatique d’une bonne vulgarisation scientifique, qui n’ait pas peur d‘avouer son l’existence de problèmes non résolus… Il est significatif de constater que des vulgarisateurs de talents, tels Eddington et Hoyle… ont été bannis par la " communauté officielle ". Leur thèses dérangeait le dogme établi…

Les différents types de lasers

Les applications des lasers se classent en 3 catégories. Soit on utilise le faisceau nu, quasi-parallèle, pour de nombreuses applications d’alignement (au bout d’une certaine distance, le faisceau se met à diverger mais on peut diminuer cette divergence par un agrandisseur de faisceau conformément à la conservation du nombre holographique). Soit on focalise le faisceau, pour obtenir des éclairements qui sont suffisamment intenses pour découper du métal (laser à gaz carbonique, dans le domaine du kilowatt continu). L’éclairement est encore plus intense avec les lasers pulsés (perçage du métal par le laser au néodyme dans cristal YAG).

La troisième application utilise le faisceau divergent, pour réaliser des hologrammes : c’est l’utilisation la plus rationnelle du laser, et ne concerne, comme on, l’a dit, que les lasers cohérents, et de plus, polarisés voir " montages holographiques ".

Le laser le plus répandu est le laser Neon/Helium (il est utile de normaliser : l’atome lazant est mis en tête, avant le substrat), et la plupart sont TEM 00. Son degré de fiabilité est excellent. Seule restriction : choisir toujours le modèle polarisé, sinon il est à polarisation aléatoire, ce qui est très gênant en holographie, et de manière plus générale, en métrologie. Bien qu’il puisse laser dans le jaune, on ne trouve généralement que la raie rouge-orangée à 533 nm. Son coût est assez élevé, atteignant plusieurs milliers d’euros pour les modèles puissants, jusqu’à 100 mW. Pour des puissances supérieures, on utilise le laser à Argon, de l’ordre du Watt en TEM00. Mais sa longueur de cohérence est réduite à quelques cm, c’est pourquoi l’holographie professionnelle ( fabrication de composants holographiques spéciaux) utilise ce laser en régime " mono-fréquence ". L’une des 30 fréquences de la cavité (1m) est sélectionnée par une sous-cavité interne, appelée " Fabry-Pérot ", dont le réglage, très délicat, doit être contrôlé en permanence par un " Fabry-Pérot " externe, de type " confocal " à balayage, qui contrôle l’unicité de la fréquence : la moindre variation de température peut provoquer un " saut de mode ", catastrophique s’il se produit durant une prise de vue holographique.

La diode laser, si elle n’a pas la qualité de faisceau TEM00, peut, dans certains modèles, avoir assez de cohérence pour permettre l’holographie. Ses avantages essentiels résultent de son grand rendement (10% et plus) : d’où une alimentation électrique non dangereuse et un faible coût, quelques dizaines d’euros. Sa puissance limitée (quelques milliwatts) n’est pas un problème si on utilise la technique du balayage (voir " montages holographiques). Sa fragilité électrique est extrême : le simple fait de toucher les pattes à la main, peut par décharge électrostatique fusiller la diode laser, c’est pourquoi ses pattes sont généralement court-circuitée dans un papier d’aluminium.

Les lasers pulsés nécessitent des installations spéciales en raison du risque rétinien extrême. Tout bricolage est à exclure en ce domaine. La donnée essentielle est l’énergie par impulsion : il faut de l’ordre d’un Joule pour pouvoir faire un portrait. Le laser à rubis est un grand classique (raie 694 nm), mais d’autres viennent maintenant compléter la gamme chromatique, et le grand marché est évidemment le portrait vraie couleur. Il s’agit du laser Néodyme, double (c’est la fréquence qui est doublée, par effet non-linéaire dans un cristal, donc la longueur d’onde est divisée par deux (le vert 530 nm). 

Pour l’observation humaine, la quantité d’information captée par l’hologramme est surabondante. Il n’est donc pas nécessaire d’utiliser la source cohérente de prise de vue (c’est même nuisible dans le cas d’un hologramme non-intégral, car la tavelure parasite vient gêner l’imagerie). L’idéal est l’utilisation d’une lampe à iode, qu’on peut éventuellement filtrer pour éliminer de la lumière parasite inutile, correspondant aux couleurs que ne possède pas l’hologramme.

L’école russe et ukrainienne, grâce à Denisiuk, s’est spécialisée dans cette voie, et a produit nombre d’œuvres d’art, qui furent exposés de part le monde, sauf aux USA, guerre froide oblige. Les américains préférèrent diffuser les " pseudo-hologrammes ", encore appelés " arc-en-ciel, où la contrainte d’éclairage est minimisée, et fut utilisée en monétique (Australie, puis Europe), ce qui se traduisit par une impression générale " négative ". A Paris, le Musée d’holographie a eu le mérite incontestable de présenter les vrais hologrammes russes, a côté des hologrammes " arc-en-ciel ". Comme on dit " y’a pas photo "…

Mais le carcan du " monochromatisme " a freiné beaucoup la technique holographique. La phrase de Goethe , dans son traité des couleurs prend tout son sens : " un objet monochrome a quelque chose d’inachevé "… Seule l’holographie en vraie couleur permettra d’ouvrir ce marché colossal, et si on se réfère à l’histoire des débuts de la photo, on peut prévoir un engouement formidable pour le portrait holographique.

En attendant, l’amateur, grâce à la technique de la " pseudo-couleur ", voir chapitres " traitements spéciaux ". Un intérêt de cette technique est qu’on peut ainsi réaliser des hologrammes infalsifiables…

La détection de micro-variation (l’interférométrie universelle)

Mais l’utilisation spécifique d’un hologramme est évidemment de reformer l’onde émanant d’un objet, donc de l’éclairer dans exactement les mêmes conditions de la prise de vue, l’idéal étant de laisser la plaque sensible sur place, et de procéder à un développement "  à l’éponge ". On obtient en final deux ondes : celle émanant physiquement de l’objet, et celle émanent de l’hologramme. Pour un hologramme d’amplitude, c’est-à-dire que les inhomogénéités sont des variations d’absorption, du fait du caractère " négatif " de la photographie, il en résulte qu’on superpose une onde avec son complémentaire, une frange sombre sur une frange brillante : si on arrivait à équilibrer les deux faisceaux, on produirait " l’invisibilité holographique ". Performance qui manque toujours à la panoplie des records, avis aux amateurs …

Ce qui veut dire qu’on peut pratiquer l’interférométrie, cette technique si sensible, mais réservée jusque là qu’à des surfaces optiquement polies, à n’importe quel objet " optiquement dur ". Si l’objet subi une contrainte de l’ordre de la longueur d’onde : cela se manifeste immédiatement par l’apparition de franges centrées sur la zone perturbée. Ce procédé est par exemple utilisé pour le contrôle non-destructif des pneus d’avion. A noter qu’un petit hologramme est suffisant pour tester une grosse pièce.

Les composants holographiques

Un composant holographique est l’hologramme d’une onde simple. On enregistre donc le réseau de franges entre deux ondes simples. L’hologramme d’un miroir sphérique sera donc un miroir sphérique sélectif pour la longueur d’onde nominale. C’est sur ce principe que sont conçus les dispositifs " tête haute " pour avions de chasse : le composant, d’aspect transparent ne perturbe pas la vision globale, mais réfléchit sélectivement la couleur du spot d’un cadran donnant des indications.

La maîtrise de l’enregistrement de franges d’interférence offre un moyen de fabriquer des réseaux de diffraction sans défauts : les réseaux " non holographiques " présentent tous des raies-fantômes dus à un défaut de périodicité venant de la vis mère de la machine-outil. Mais on peut fabriquer des composants non conventionnels : par exemple si l’onde holographiée correspond à une série de points, une restitution par une onde présentant un motif, va provoquer la multiplication de ce motif, en chaque point : ce composant est un multiplicateur d’images. Comme le principe holographique fonctionne sous toute géométrie, on peut concevoir ainsi des composants opérant avec les géométries le plus " baroques ".

La reconnaissance de formes

Si on éclaire l’hologramme avec l’onde objet, on restitue la porteuse, qui correspond à un seul point. Mais ce point est entouré par un halo diffus, c’est " l’intermodulation " provenant du fait que l’objet n’est pas simple (véhiculant de l’information, il ne peut être une " porteuse " à part entière) : en effet chacun de ses points reconstruit chacun de ses autres points. Mais l’image présente un pic très pointu, caractéristique de l’auto-corrélation d’un objet avec lui-même, qui disparaît si on éclaire l’hologramme avec la lumière émanent d’un objet différent : la présence d’un objet conforme à l’hologramme est reconnu.

On peut rendre la reconnaissance de l’objet sous forme de transparent -- par exemple trace d’empreintes digitales-- indépendante de sa position latérale : il suffit de prendre l’hologramme dans le plan focal d’une lentille (hologramme de " Fourier "), où l’ordre zéro, qui focalise l’énergie non diffractée est éliminée au moyen d’une pastille : seule la lumière diffractée est alors holographiée. En faisant tourner le transparent, on rend également la détection indépendante de la direction, il suffit d’adjoindre un système électronique capable de déceler des surintensités.

Les mémoires holographiques

Par essence l’hologramme est une mémoire facilement copiable, donc potentiellement peu coûteuse. Il semble que le problème de la tavelure parasite ait freiné ce marché. L’avenir appartient donc à l’holographie intégrale.

Avec certains montages simplifiés présentés ci-dessous, l’holographie est praticable en tout lieu. Même l’obscurité n’est pas requise, puisqu’en minimisant la surface de travail, on peut faire une démonstration de prise d’hologramme " sous voile ". De manière générale, l’obscurité totale est non seulement inutile, et même fortement déconseillée, car contrairement à la photo, les films holographiques sont de faible sensitivité, tandis que l’œil devient extrêmement sensible après un temps d’accoutumance. Les " lampes inactiniques " ne sont donc pas nécessaires, et ce d’autant plus que l’holographiste est amené fatalement à travailler avec des longueurs d’onde laser de différentes couleurs.

1.1 Presentation de l’image

1.1.1 cadrage

L’Holographie, par principe, fonctionne avec toute géométrie. Mais, comme la reconstruction de l’image est soumise à un angle d’éclairage précis, il serait malséant d’obliger de plus l’observateur à regarder dans tous les coins pour localiser l’image. Si l’objet n’est pas situé au voisinage immédiat de l’hologramme, il doit être " cadré " sur l’hologramme : sur sa perpendiculaire si celui-ci est plan où à son centre de courbure si celui-ci est cylindrique.

1.1.2 recentrage

Mais la présentation optimale est quand l’image est à cheval sur l’hologramme, qu’il soit plan ou de forme cylindrique ou conique (dans l’" holopanoragramme " de Thierry Garçon, c’est l’observateur qui prend la place centrale et est entouré par la scène) ce qui diminue les exigence de cohérence partielle de la source d’éclairage, donc à netteté égale, augmente la luminosité. L’effet visuel est alors encore plus spectaculaire, l’observateur tentant d’attraper vainement ce qui sort de l’hologramme. On obtient cette image simplement par double holographie. Le premier hologramme (parfois appelé " hologramme-maître ") étant restitué en l’éclairant par " l’anti-porteuse " , c’est-à-dire l’onde anti-temporelle de la porteuse (c’est donc une onde convergente si la porteuse était divergente). On obtient alors une image pseudo-scopique parfaite (sans la distorsion qui accompagne tout écart à la géométrie précise de la prise de vue), et on peut à nouveau holographier cette image aérienne, en plaçant la plaque sensible finale " à cheval " sur elle. Pour que l’image finale soit parfaitement conforme, il faut opérer avec une porteuse convergente, car en final on utilise toujours un éclairage divergent : on présente donc l’hologramme final en position inversée : la double inversion du relief rétablit évidemment la conformité de l’image.

1.1.3 orientation

Lors de la dernière prise de vue, il faut prévoir comment sera restitué l’hologramme. En général la source de restitution la plus pratique est celle située en hauteur. Si l’objet a une orientation propre (par exemple un portrait) il faut s’arranger pour que, en final, l’objet soit vu suivant la bonne orientation.

1.1.4 le fond

Pour les objets compacts, un fond n’est pas requis, mais pour les objets translucides (flacon), où non-compacts (araignée), un fond diffusant est indispensable, sur lequel va se découper l’objet.

1.2 La séparation de la source

Force est de reconnaître d’entrée ce fait étonnant : la plupart des montages présenté dans les manuels sont inutilement compliqués, soit même carrément impropres à réaliser des hologrammes. Cela résulte d’une erreur de base, une phrase assassine qui s’est propagée de manuel en manuel :

"Rendre fixe le réseau d’interférence est un problème délicat, mais classique en interférométrie : tous les composants optiques, l’objet, la source et le récepteur holographique doivent être solidement fixés sur une table optique massive "

page 169, de l’ouvrage de référence " Optical Holography ". RE. J. Collier, C.B. Burckhardt, L. H Lin, academic press, 1971.

Or, il est très connu, en interférométrie classique, que la source peut être placée à l’extérieur du montage, c’est même une nécessité pour certaines sources dont l’alimentation électrique est source de vibrations mécaniques, qu’il convient de découpler du montage principal. De plus l’interférométrie s’est pratiquée historiquement à partir du rayonnement d’une étoile : on a pu ainsi séparer, par la méthode des fentes d’Young à séparation variable, les diamètres angulaires d’étoiles (Michelson et Pease, 1920).

Plus prosaïquement, le phénomène d’interférence est visible à l’œil nu, à partir d’une source suffisamment ponctuelle (source brillante étendue diaphragmée par l’interstice d’environ 0.1 mm entre deux doigts d’une main, à bout de bras), en regardant à travers un écran percé de deux petits trous distants de 1mm… Ce qui correspond à un nombre holographique de l’ordre de l’unité. La raison de ce " principe de la source séparée " devient évidente : en bougeant le bras, les franges demeurent fixes : toute modification de l’éclairage modifie de la même façon les vibrations qui arrivent sur les 2 voies : c’est la définition même de la cohérence transverse.

En ce qui concerne les mouvements longitudinaux, qui affectent la cohérence axiale (ou " temporelle ") ils provoquent un décalage Doppler qui est généralement négligeable : il faudrait une variations de vitesse de cl/p, où p est la profondeur de l’objet, pour affecter l’hologramme, soit pour p= 15 cm, dv = 1 km/s. Il faudrait monter la source sur un marteau-piquer pour constater cet effet…

Donc la règle essentielle de l’interférométrie est la suivante :

Une recherche historique s’impose dans l’intérêt de l’histoire des sciences et des techniques pour déterminer comment une erreur pareille a pu s’implanter chez les holographistes. On peut remarquer que se lancer dans l’holographie était devenu synonyme d’investissements lourds chez les " professionnels ", ou consommateurs de temps et d’énergie chez les amateurs (les fameux " bacs à sable "). On cherchera en vain dans les traités d’Optique celui qui fait ressortir ce principe avec netteté.

Remarque sur la " CATASCIENCE ". On peut y voir l’exemple d’une dérive formaliste de la Science, qui s’attache plus au calcul mathématique qu’à l’observation et l’exercice du bon sens. Le travail de Galilée traduisant par la suite des nombres impairs les longueurs parcourues successivement par un corps sur un plan incliné, et observant que leur somme est le carré du nombre de séquences temporelle est l’exemple typé de l’accord entre mathématiques naturelles (utilisation des nombres entiers) et description du monde. Mais par la suite, dans une dérive anti-aristotélicienne, on a laissé l’outil mathématique piloter le bras, et même, dans une dérive anti-pythagoricienne, on a accordé trop d’importance à des concepts mathématiques irréels, comme ce fameux  nombre dit " réel " des mathématiciens, avec une propension à formuler la physique en terme d’équation différentielles, dérive réductionniste qui rend impossible la compréhension de l’effet laser. A l’inverse, on peut se demander si des principes globaux, justement suggérés par la technique de l’Holographie ne seraient pas plus adéquats en Physique (voir l’introduction).

A plusieurs reprises, des laboratoires de recherche officiels se s’ont adressé à l’auteur : ils n’arrivaient pas à obtenir le moindre hologramme, avec pourtant un équipement sophistiqué. Le diagnostic était simple : le laser à Argon utilisé est refroidi par un circuit d’eau, donc soumis à des vibrations, qui se propagent dans tout le montage si le laser est installé sur la même table. Le remède est donc évident : il suffit d’installer le laser sur une table indépendante. En une demi-journée, ces labos commencèrent à réussir leurs hologrammes.

Et l’erreur perdure : les labos, à qui cette mésaventure est arrivée, et qui ont perdus parfois plusieurs mois d’essais infructueux, ne s’en vantent guère, cela à tendance à devenir un " secret ", tandis que les montages éducatifs continuent à enseigner un montage inutilement compliqué, car le laser, de faible puissance, n’est pas source de vibrations. A noter l’exception remarquable du DEA d’Optique d’Orsay, où Jean-Paul Hugonin, suite à un stage de perfectionnement en Holographie, a eu l’excellente idée de fixer le laser au plafond, ainsi que l’optique ouvrant le faisceau. Ce montage offre d’ailleurs un intérêt supplémentaire : les étudiants n’ont pas accès à la partie collimatée du faisceau qui pourrait présenter un risque oculaire… On peut donc excéder le mW réglementaire, ce qui facilite l’expérimentation holographique. On a ici un exemple où sécurité, économie et efficacité vont de pair.

On peut constater un autre type d’erreur dans certains montages : des pieds hauts, avec un faisceau situé à 30 cm de la table ! Rien de tel pour amplifier les vibrations… Il est bien évident qu’il faut travailler le plus bas possible de la surface de la table, et fixer mécaniquement les composants.

1.3 L’ELOIGNEMENT DE LA SOURCE

Un faisceau laser est souvent accompagné par un faisceau parasite qui provient de la deuxième face du miroir de sortie. Dans certain cas, cette face est inclinée, et on peut constater sur un écran ce faisceau parasite s’écarter de plus en plus du faisceau principal. Si on place une optique immédiatement en sortie du laser, on va capter ce faisceau parasite, ce qui va diminuer la pureté de la porteuse et donc la qualité des hologrammes. Il vaut mieux positionner le laser assez loin du montage, de sorte que le faisceau s’épure naturellement

Un bon laboratoire holographique doit donc disposer d’un couloir assez long. A noter que dans le " faux montage " décrit ci-dessus, on est obligé, par manque de place, de faire passer le faisceau par un petit diaphragme, pour " épurer le faisceau ". C’est un système à mouvements micrométrique, donc onéreux et qui se dérègle souvent.

Travailler avec une source lointaine, c’est-à-dire avec une onde quasi-plane offre un intérêt supplémentaire : son inverse temporel est aussi une onde plane. Donc, par simple retournement de l’hologramme on obtiendra une image aérienne sans distorsion.