Technique optique qui nous permet de voir de petits changements dans la réfractivité de l’air et d’autres milieux transparents.
Ce que cela montre
La réfraction due à l’inhomogénéité de l’air est rendue visible par notre installation d’optique schlieren à un seul miroir. La réfraction peut être causée par des changements dans la densité, la température ou la pression de l’air immédiatement devant le miroir concave. À l’aide d’une caméra vidéo et d’un moniteur, nous pouvons voir les courants de convection chauds qui s’élèvent de la flamme d’une bougie ou, au contraire, l’air froid qui descend d’un verre d’eau glacée. Le jet d’air chaud d’un sèche-cheveux ordinaire est rendu spectaculairement visible.
Le flux de gaz autres que l’air peut également être visualisé avec cette technique. Par exemple, le gaz d’hexafluorure de soufre est six fois plus dense que l’air, et peut donc être visiblement versé d’une bouteille dans un verre comme s’il s’agissait d’un liquide.
Cette vidéo de notre installation montre les antinœuds de pression d’une onde stationnaire ultrasonique sous forme de bandes lumineuses :
On peut également démontrer la diffraction de la lumière autour des objets. En baissant la plupart des lumières de sorte qu’il y ait très peu d’éclairage ambiant, un objet placé devant le miroir est vu comme sombre (sans surprise), mais entouré d’un mince contour lumineux. Cette lumière, dont l’origine est la source lumineuse ponctuelle, est diffractée autour des bords de l’objet et dans la caméra.
Comment ça marche
Un miroir à longue distance focale est utilisé pour focaliser une source lumineuse ponctuelle sur un fil fin (ou un bord de lame de rasoir), qui fait office de bloc de lumière. Une caméra est placée directement derrière le bloc de lumière et regarde les objets situés immédiatement devant le miroir dans la « zone de test ». En cas de changement de l’indice de réfraction de l’air dans la zone de test, l’image de la source lumineuse ponctuelle est légèrement déviée. Si elle est déviée au-delà du bord du bloc lumineux, la lumière supplémentaire qui entre dans la caméra apparaîtra comme des traînées de lumière provenant de la zone où il y a eu un changement d’indice de réfraction ; c’est ce qu’on appelle l’effet schlieren.
La luminosité de l’effet schlieren est proportionnelle à l’ampleur de la variation de la réfraction – plus la variation de la réfraction est importante, plus la déviation de l’image lumineuse ponctuelle est importante, ce qui entraîne une plus grande quantité de lumière passant par le bord du bloc lumineux. Fondamentalement, ce sont les changements de la densité qui sont responsables des changements de la réfractivité (n – 1), où n est l’indice de réfraction. Pour l’air et les autres gaz, il existe une relation linéaire simple entre l’indice de réfraction et la densité du gaz, ρ, donnée par
n – 1 = kρ
où k est connu sous le nom de coefficient de Gladstone-Dale et est presque constant sur la majeure partie du spectre visible. Sa valeur pour l’air est d’environ 2,3×10-4 m3/kg. L’expression de la déviation angulaire δ de l’image lumineuse ponctuelle par un gradient de densité perpendiculaire à l’axe optique, disons dρ/dx, est donnée par
δ = kL dρ/dx
où L est la portée de la perturbation dans la direction de l’axe optique. La densité étant proportionnelle à la pression et inversement proportionnelle à la température, toute modification de ces attributs est de même rendue visible.
Parce que les grandes variations de la densité d’un gaz ne correspondent qu’à un faible changement de l’indice de réfraction, le système de schlieren doit être suffisamment sensible pour détecter des déviations de quelques secondes d’arc d’angle seulement. Le levier optique nécessaire pour rendre ces petites déviations apparentes nécessite un miroir sphérique d’une longueur focale de quelques centaines de centimètres, et façonné avec une grande tolérance. Pour fournir un contraste suffisant entre la lumière réfractée et le fond sombre, le diamètre de l’image lumineuse ponctuelle doit être d’une fraction de millimètre, tandis que la source lumineuse doit pouvoir fournir plusieurs centaines de lumens de flux.
Pour des recherches plus approfondies, Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) de G. S. Settles est un excellent livre écrit par l’une des principales autorités en la matière. On y trouve des détails techniques ainsi qu’un contexte historique.
Setting It Up
L’installation – comprenant le miroir sphérique, la source lumineuse, le bloc de lumière et la caméra vidéo – nécessite un alignement minutieux dans un espace d’au moins 7 mètres de long et 2 mètres de large. L’effet ne peut être vu qu’à travers la caméra vidéo, il faut donc soit un grand moniteur, soit un système de projection.
Équipement
(a) La source lumineuse ponctuelle que nous utilisons habituellement est une petite lampe de poche LED blanche alimentée par une batterie, positionnée derrière un sténopé Melles Griot de 400 microns, avec du Vellum inséré entre les deux pour un éclairage uniforme. Le tout est monté ensemble dans un boîtier fixé à un rail d’optique.
(b) Le bloc de lumière que nous utilisons le plus souvent est une lame de rasoir montée sur un montant d’optique réglable x-y, qui est monté sur le rail d’optique et orienté de façon à ce que la lame puisse être déplacée verticalement ainsi que longitudinalement dans la direction du miroir. Alternativement, une corde à piano de taille 7 (0,018 pouce de diamètre) montée dans un porte-lentille peut également être utilisée, mais gardez à l’esprit que cela fonctionne mieux avec le sténopé de 500 microns au lieu de celui de 400 microns.
(c) Le miroir sphérique est un miroir en aluminium protégé de 12,5″ (31,8 cm) de diamètre, 123″ (312 cm) de distance focale, f/10, de Edmund Scientific (la monture du miroir nous a été donnée par feu Costas Papaliolios). Lorsque l’espace est limité, nous disposons également d’un miroir de 18″ de diamètre, de 2 mètres de distance focale, f/4,3, que nous avons récupéré d’un spectromètre.
(d) La caméra vidéo que nous utilisons actuellement est une Blackmagic Pocket Cinema Camera, que nous avons adaptée pour y placer un objectif zoom Canon TV-16 25-100 mm f/1,8. Un objectif Asahi Takumar 300 mm f/6.3 avec un booster de vitesse Zhongyi Lens Turbo 2 peut également être utilisé pour des plans plus serrés. L’objectif est fixé au rail optique par une monture spécialement conçue. Le bloc lumineux doit être positionné assez près de l’objectif pour qu’il soit complètement hors foyer.
(e) Pour accélérer la procédure d’alignement, un adaptateur a été fabriqué pour monter un laser HeNe sur le filetage de la monture C de l’objectif zoom (la caméra vidéo doit bien sûr être retirée).
(f) Le support le plus pratique pour le miroir du télescope est le solide support en fer angulaire normalement utilisé pour l’expérience Cavendish. Le rail optique Spindler & Hoyer (sur le support de trépied) est également agréable et robuste et entièrement réglable.
Alignement
(1) Mettez à niveau le rail optique sur lequel sont montés la source lumineuse ponctuelle, la lame de rasoir et la lentille de zoom/laser. Positionnez le miroir du télescope à une distance de deux distances focales de la lame de rasoir, verrouillez le support de miroir en place avec les vis de mise à niveau et ajustez la hauteur du rail optique de sorte que le faisceau laser frappe le miroir du télescope au milieu.
(2) Faites tourner le miroir/support de miroir pour diriger le faisceau laser vers le sténopé. Ajustez finement le miroir (à l’aide des vis de réglage horizontal et vertical) pour frapper précisément le sténopé avec le faisceau. Retirez le laser de l’objectif et montez la caméra vidéo.
(3) Arrêtez l’objectif à fond (généralement f/22). Cela produit un motif de vignettage hexagonal (provenant du diaphragme de l’objectif). Réajustez le miroir du télescope (avec les vis de réglage fin) pour que ce motif hexagonal soit centré dans le miroir (cette partie est cruciale pour obtenir les meilleurs résultats !).
(4) Relevez le bloc de lumière et faites glisser sa monture d’avant en arrière sur le rail optique pour focaliser grossièrement la source lumineuse ponctuelle sur la lame ; affinez la mise au point avec la vis de réglage longitudinal (sur la monture de la lame de rasoir). Abaissez la lame de rasoir de manière à ce que son bord coupe à peine l’image de la source ponctuelle. Ouvrez l’objectif à l’ouverture maximale et ajustez la hauteur du bord du rasoir. Mettez au point l’objectif sur n’importe quel objet tenu devant le miroir.
Les effets les plus spectaculaires sont observés lorsque l’objet qui perturbe le chemin optique est juste devant le miroir. Veillez à ne pas toucher le miroir ! Il est extrêmement sensible lorsqu’il est correctement aligné ; un courant d’air occasionnel ressemblera à un nuage qui passe. La chaleur de votre main s’élève en volutes tandis que l’air, refroidi par un verre d’eau glacée, descend rapidement. Un fer à souder chauffé a l’air d’être en feu. L’hexafluorure de soufre gazeux semble être un liquide qui se déverse d’un récipient.
Bien qu’un peu pénible à mettre en place, la démonstration est très gratifiante avec des effets géométriques et d’optique physique d’une beauté époustouflante.