(Charles) Fabry & la spectroscopie

Physicien français, 1867-1945

On parle beaucoup de la couche d'ozone qui protège la Terre des rayons ultraviolets du Soleil, mais peu de gens connaissent celui qui en démontra l'existence en 1913 : Charles Fabry.

Né à Marseille en 1867, entré à l'École Polytechnique en 1885, Fabry enseigne la physique dans des lycées parisiens, puis à la faculté des sciences de Marseille. C'est là qu'il rencontre un autre polytechnicien, de quatre ans son ainé, dont le nom restera attaché au sien pour la postérité : Alfred Pérot.

Ce couple idéal de chercheurs - Fabry plutôt théoricien, Pérot remarquable expérimentateur - publiera de très nombreux travaux en optique, mais son invention majeure reste le célèbre "interféromètre de Fabry-Pérot".

Plaçons deux miroirs face à face et imaginons un rayon lumineux qui circule perpendiculairement à leurs surfaces. Il se réfléchit successivement sur les deux miroirs et fait des allers-retours sur lui-même. Ce rayon peut être vu commme une onde, dont les différents passages se superposent (interfèrent). La plupart du temps, les maxima et minima de l'onde tombent à des endroits différents et leur superposition tend à les affaiblir. Mais si la distance entre les miroirs est un multiple ou un demi-multiple de la longueur d'onde, les passages successifs de l'onde coïncident exactement et l'onde est préservée.

Dans un interféromètre de Fabry-Pérot, les miroirs ne sont que semi-réfléchissants et laissent sortir une partie de la lumière. On voit alors émerger la lumière dont la longueur d'onde (la "couleur") s'accorde avec la distance entre les miroirs, tandis que les autres couleurs semblent absorbées par l'appareil. Si l'on déplace l'un des miroirs, on modifie les longueurs d'onde sélectionnées

Ces anneaux d'interférence colorés sont produits par une lampe spectrale au mercure-zinc-cadmium (qui émet donc à plusieurs longueurs d'onde) observée au travers d'un interféromètre de Fabry-Pérot. © CNRS Photothèque - Michel Marcelin

C'est le même phénomène qui donne leurs couleurs irisées aux bulles de savon : les deux faces du mince film de savon jouent le rôle des deux miroirs, et la couleur apparente en chaque point dépend de l'épaisseur du film en ce point.

Fabry et Pérot ont ainsi pu réaliser des mesures très précises, mais surtout favoriser l'essor d'une discipline alors peu développée : la spectroscopie.

On sait depuis Newton séparer les différentes composantes de la lumière à l'aide d'un prisme. La courbe qui représente l'intensité de la lumière pour chaque longueur d'onde s'appelle un "spectre". Par exemple, si l'on produit une décharge électrique dans un gaz, celui-ci émet de la lumière à certaines longueurs d'onde bien précises si bien que son spectre présente des "raies" brillantes. Au contraire, un gaz éclairé par de la lumière blanche absorbe certaines longueurs d'onde ce qui engendre des raies sombres. Ces raies constituent la signature des molécules qui composent le gaz. En les mesurant au laboratoire, on pourra ensuite les reconnaître dans le spectre d'une substance inconnue et en déduire quelles molécules la composent, sans effectuer d'analyse chimique. Ce qui est bien commode si l'on étudie un astre lointain !

Éclairons maintenant un interféromètre avec la lumière que l'on veut analyser. Faisons varier continûment la distance entre les miroirs et enregistrons au fur et à mesure l'intensité de la lumière transmise, qui correspond à chaque instant à une longueur d'onde déterminée : nous dessinons peu à peu un spectre, considérablement plus précis que celui qu'on obtient en une seule fois avec un prisme. On recueille ainsi beaucoup d'informations sur la source lumineuse ou les milieux traversés : la température (qui influe sur l'intensité et la forme des raies), la vitesse de déplacement (qui modifie les longueurs d'onde), les autres composants du mélange gazeux (qui peuvent aussi modifier les raies)... C'est ainsi que Fabry a pu prouver l'existence de la couche d'ozone, mesurer la vitesse de la nébuleuse d'Orion ou la température du Soleil.

Aujourd'hui, la spectroscopie est toujours un champ de recherche actif dont les techniques progressent sans cesse. La sonde Huygens n'a-t-elle pas emporté un spectromètre pour analyser l'atmosphère et le sol de Titan ? Plus près de nous, pensons au fameux "effet de serre" responsable du réchauffement climatique actuel, causé par des gaz (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, méthane etc.) qui laissent passer la lumière du Soleil mais interceptent le rayonnement infrarouge renvoyé par la Terre. On connaît bien les principales raies d'absorption responsables de l'essentiel de ce phénomène, c'est-à-dire les longueurs d'onde presque entièrement absorbées. Mais les petites variations qui intéressent les climatologues se produisent aux longueurs d'onde qui ne sont absorbées qu'en partie : pour les comprendre il faut donc étudier les raies les plus faibles de ces gaz, et les spectres des gaz moins abondants. De quoi occuper encore longtemps les chercheurs.

Spectre d'absorption dans l'ultraviolet de l'acétylène (C2H2), un gaz présent dans l'atmosphère de Titan. En noir, à 20°C, température typique sur Terre. En rouge, à -100°C, température de la stratosphère de Titan. © LISA (LaboratoireInter-Universitaire des SystèmesAtmosphériques), Créteil. Groupe GPCOS, programme SCOOP.

Même s'il n'est plus guère utilisé comme spectromètre, l'interféromètre de Fabry-Pérot conserve de nombreuses autres applications, notamment dans certains dispositifs optiques où il est nécessaire de sélectionner très finement la longueur d'onde. Autre exemple : à l'observatoire européen Virgo, près de Pise, on en a réalisé en plaçant des miroirs aux deux extrémités de tubes de 3 km de long ! Avec deux tubes de ce type placés perpendiculairement, où l'on fait circuler des faisceaux lasers que l'on combine ensuite, on peut détecter les déplacements infimes (un milliardième de milliardième de mètre) dûs au passage d'ondes gravitationnelles émises par de lointains couples d'étoiles ou des explosions de supernovæ.

Mots clés : Fabry-Pérot, interférence, spectroscopie