Holographie des origines à 1964

Holographie
© 2006 Alain Conraud
Extrait de l’ouvrage

L’histoire de l’holographie est souvent présentée de façon succincte en désignant Gabor comme le fondateur en 1948, suivi en 1962 « grâce au laser » d’un apport simultané de Denisiuk, côté soviétique, et de Leith & Upatnieks, côté américain. Dans la réalité, ces holographies successives ont été découvertes et démontrées, chacune, au moyen d'une lampe à mercure. Trois physiciens apparaissent comme les fondateurs de l’holographie bien que Gabor soit le seul, en fait, à avoir été récompensé par l’attribution du prix Nobel de physique de 1971.

Dennis Gabor        Emmett N. Leith      Yuri N. Denisiuk

Gabor

Dans les années 40, Gabor cherche à accroître la résolution des microscopes électroniques. Il emprunte à Bragg le concept d'un procédé à double diffraction et à Zernike l'idée de l'utilisation d'un fond cohérent. Gabor produit le raisonnement que la phase d’une onde diffractée pourrait être déterminée par comparaison à une onde standard de référence. Il ajoute à l’onde diffractée un rayonnement uniforme dont l’amplitude est modulée par l’onde diffractée, à la condition que les deux rayonnements soient cohérents en respect l’un de l’autre. Une photographie du résultat constitue l’hologramme. Une diffraction à partir de l’hologramme représente la seconde diffraction, conduisant à la reconstruction du front d’onde initial. L’holographie de Gabor apparaît simple et élégante dans son fondement mais cependant ne restitue que la moitié de l’information de phase à la lecture. Afin de disposer de la totalité de cette information, il est indispensable alors d’holographier au moyen d’une paire d’hologrammes. Mais dans la pratique, l’inconvénient principal de l’holographie de Gabor reste le problème de la double image. En effet, le procédé génère à la restitution une paire d’images (réelle & virtuelle) localisées en ligne et ainsi dans un même champ. De plus, la part de lumière non diffractée est en ligne aussi, ce qui ajoute à la difficulté de l'exploitation des images. La séparation de celles-ci constituait l’un des défis principaux pour les chercheurs de l’époque mais dans l’usage, leurs tentatives ne furent pas concluantes.

Leith

Dans les années 50, Leith est amené à travailler sur un projet militaire ambitieux d’imagerie radar de haute résolution. Il s’agit du projet Michigan : un système de radar cohérent à synthèse d’ouverture. Aux Willow Run Labs, Leith est chargé de concevoir le type de processeur optique nécessaire au traitement de ces données radar ; il perçoit alors l’analogie entre la reconstruction de phase de l’onde optique par rapport à celle de l’onde radar. Dans ce contexte, Leith ré-invente l’holographie en mai 1956. Ses idées sont validées par l'expérience dès 1957 et s’affirmeront à la fin des années 50 dans les théories sur les radars cohérents. Ces travaux conduiront à toute une série d’applications qualifiées de quasi-holographie. La recherche sur les processeurs optiques s’oriente alors dans de nouvelles directions plus « explicitement » holographiques. En 1960, Leith & son assistant Upatnieks s’engagent dans l’holographie purement optique et fondent leur théorie de l’holographie hors de l’axe. Celle-ci fixe le principe d’une fréquence spatiale dite porteuse à l’enregistrement et dont la modulation est propice au codage total des informations de phase & d’amplitude. Ils seront autorisés à publier en 1961 cette partie non-radariste de leurs travaux. Les parallèles entre la pensée de Leith et celle de Gabor deviendront clairs. Le problème de la double image de Gabor est résolu, chaque composante est isolée spatialement.

Denisiuk

Dans les années 50, Denisiuk cherche à produire des photographies d’objets en 3D qui apporteraient l'illusion de la réalité. Mais comment enregistrer et restituer optiquement le front d'onde rayonné par ceux-ci ? Le défi réside dans la méthode d’enregistrement et de reproduction de la distribution de phase de ce front d’onde. Au Vavilov State Optical Institute de Léningrad, Denisiuk imagine alors une solution sur un principe d’ondes stationnaires dans lequel une onde de référence se propage dans une direction opposée à celle de l’onde rayonnée par un objet. Il s’inspire des travaux de Lippmann sur la photographie interférentielle qui exploite un principe d’enregistrement, en volume, dans l’épaisseur d’une émulsion photosensible. Denisiuk postule que ce type d’enregistrement doit pouvoir contenir autre chose que de l’information spectrale moyennant une technique dérivée et en effet, il parviendra à mettre en œuvre sa propre méthode. Celle-ci s’avère tout à fait propice à l’enregistrement des informations de phase & d’amplitude. Ignorant les travaux de Gabor et le terme « hologramme », Denisiuk propose le terme « photographie d’onde » pour qualifier son procédé. Les enregistrements débutent en 1958 sur la base d’objets simples et spéculaires (miroirs convexes). En 1959 et 1960, le principe d'une holographie dite Lippmann est validé.

Différences entre les diverses holographies

Toutes ces holographies ont été découvertes et mises au point sans laser mais au moyen d'une source cohérente constituée d'une lampe spectrale associée à un filtre spatial et à un filtre chromatique. La figure 1 présente les différences entre ces trois holographies réalisées à partir d'une onde sphérique. La première, en (a), est celle de Gabor ; il y a « faisceau unique » ou autrement dit, le faisceau dit objet s'obtient à partir du faisceau de référence à l’émergence de l'objet. La seconde, en (b), est celle de Leith & Upatnieks. Il y a création de deux faisceaux, l'un dit objet, l'autre de référence, à l'issue d'un masque produisant deux sources ponctuelles en phase l'une de l'autre. Cette situation engendre une fréquence spatiale dite porteuse ; et celle-ci est apte à être modulée en phase et en amplitude par l'objet.

figure 1 : holographies à partir d'une onde sphérique

Ces sources cohérentes s’obtiennent au moyen d'un réseau à titre d'exemple. La troisième, en (c), est celle de Denisiuk. Il s'agit là d'une holographie de réflexion ; dans ce cas, il n'y a pas d'objet diffractant mais un miroir qui produit, par exemple, une onde plane à partir de l'onde sphérique dite de référence. La figure 2 présente ces mêmes holographies mais réalisées à partir d'une onde plane. Celle de Gabor, en (a), permet, dans ce cas, d'enregistrer un objet de plus grand format. Celle de Leith & Upatnieks, en (b), se réalise à partir d'ondes planes distinctes produites par un prisme particulier et autorise aussi une plus grande surface d'objet. Celle de Denisiuk, en (c), est celle « initiale » imaginée par lui pour enregistrer des miroirs convexes de différent rayon afin de valider son principe d’holographie.

figure 2 : holographies à partir d'une onde plane

La longueur effective de cohérence s’établissait au dessous du millimètre ; et cependant, tous les pionniers de l’holographie ont réalisé leurs expériences initiales avec ce type de dispositif. L’optimisation des lampes, en vue d’affiner au mieux les raies dans le visible, ne permettait guère d’envisager des progrès substantiels.

Gabor déclarait que sa source lui fournissait environ 100 µm, ce qui lui autorisait autour de 200 franges en théorie dans le visible.

Leith disposait en 1960 selon ses estimations d’environ 500 µm, ce qui lui autorisait environ 1000 franges (toujours en théorie) dans le visible.

Denisiuk pensait disposer en 1958 de quelques dixièmes de millimètre qu’il précisait autour de 300 à 500 µm selon ses propres estimations.

Cette limitation de cohérence temporelle ne permettait que les enregistrements en lumière dirigée. De plus, seuls les objets 2 D généralement binaires ou 3 D, mais non diffusants et non diffractants, dans le cas de Denisiuk, étaient possibles.

M : miroir, FS : filtre spatial, S : miroir semi-réfléchissant, O : obturateur
figure 3 : holographie de Gabor

Avec l'avènement du laser, une holographie en lumière diffuse devenait envisageable ; et il devenait possible d'enregistrer des objets diffusants réellement 3 D. La figure 3 présente une holographie de Gabor au moyen d'un laser ; un miroir semi- réfléchissant permet la mise en ligne du faisceau dit objet avec celui de référence. La figure 4 illustre le cas d'une holographie de Leith & Upatnieks et la figure 5 présente celui d'une holographie de Denisiuk.

M : miroir, FS : filtre spatial, S : miroir semi-réfléchissant, O : obturateur
figure 4 : holographie de Leith & Upatnieks

M : miroir, FS : filtre spatial, S : miroir semi-réfléchissant, O : obturateur
figure 5 : holographie de Denisiuk

Modélisation de ces holographies

Comment comparer ces diverses holographies et comment situer la photographie interférentielle parmi celles-ci. Reprenons les montages des figures 3 à 5 et considérons un seul point de l'objet (face au centre de l'hologramme pour simplifier) ; en conséquence, nous obtenons une holographie à partir d'une source ponctuelle de référence et d'une autre dite objet. La figure 6 présente le cas de Gabor, les deux sources sont en ligne et localisée du même côté de l'hologramme. La figure 7 présente le cas de Leith & Upatnieks ; les sources sont décalées puisque le faisceau dit objet forme un angle avec celui de référence. Les sources sont toujours du même côté de l'hologramme. La figure 8 présente le cas de Denisiuk; les sources sont en ligne mais de part et d'autre de l'hologramme.

figure 6 : holographie de Gabor

figure 7 : holographie de Leith & Upatnieks

figure 8 : holographie de Denisiuk

Quel est le motif d'interférence engendrée par deux sources cohérentes en phase l'une de l'autre ? la figure 9 illustre le rayonnement continu de ces sources et la figure 10 représente la géométrie du motif produit. Si une source constitue l'objet et si l'autre est considérée comme référence ; alors, situons les diverses holographies. La figure 11 représente la position des hologrammes pour chaque cas.

         
figure 9                                            figure 10

figure 11 : modélisation présentant les trois holographies