Brevet FR2896579A1 — publié le 20070727

La présente invention concerne un appareil optique destiné à des mesures tachymétriques, après avoir vérifié l'hypothèse d'un référentiel de propagation des ondes électromagnétiques lié au champ de gravitation, conciliant ainsi les expériences de Sagnac et celles de Michelson et Morley. Une précédente demande de Brevet Français du demandeur, enregistrée sous le numéro 03 14063 du 01-12-2003 relate l'historique des tentatives de solutions fondées seulement sur l'interférométrie, et les raisons de leur échec auquel on doit ajouter celui de la solution présentée dans ce précédent brevet. Une expérience préliminaire a permis de comprendre l'erreur de conception qui explique cet insuccès, et qui invalide l'expérience de Silvertooth citée alors par l'examinateur. Dans les procédés purement interférentiels, la vitesse à mesurer s'étend dans la même direction que celle où se déroule le phénomène par lequel on cherche à la mesurer. On n'échappe à cette contradiction que dans le cas du gyromètre de Sagnac, ou par la disposition en allers-retours de l'expérience de Michelson et Morley. Dans ce cas l'équation de mesure annonce un effet proportionnel à V21C' qui rend la mesure si peu sensible qu'on est à peine certain du résultat pour la translation orbitale terrestre, soit 100000 Km/h. On ne peut donc envisager ni la vérification en translation de l'hypothèse de Sagnac, ni les applications en tachymétrie aérospatiale qui pourraient en découler. La présente invention utilise le fait que la propagation de la lumière polarisée présente des propriétés qui se traduisent par des phénomènes observables et mesurables par des grandeurs qui ne s'étendent pas dans la direction de propagation, notamment la rotation du vecteur de Fresnel composé qui accompagne la propagation de la lumière dans le cas de la polarisation circulaire, comme la rotation d'une vis accompagne sa progression. Dans l'appareil conforme à l'invention, les phénomènes d'interférences sont provoqués entre deux faisceaux de lumière en polarisation, linéaire pour l'un des faisceaux, circulaire pour l'autre. Dans ces conditions les amplitudes des interférences observées sont valablement représentées par une sinusoïde de fréquence double de celle de la lumière utilisée, et dont les valeurs maximales évoluent dans une enveloppe également sinusoïdale, mais de fréquence égale à celle de la lumière utilisée. Comme une variation éventuelle de la vitesse de la lumière agit simultanément sur les deux trajets, cette enveloppe est spatialement invariable. II n'en est pas de même de la rotation du vecteur de Fresnel représentatif instantané de l'orientation de la polarisation circulaire présente seulement dans l'un des deux faisceaux. Or c'est la coïncidence de cette orientation avec l'orientation fixe de la polarisation linéaire de l'autre faisceau qui détermine les maxima de la sinusoïde représentative de l'addition vectorielle qui en résulte. Pour évaluer l'énergie lumineuse présente en tel ou tel point d'un plan de front où se produisent des interférences, on représente les courbes sinusoïdales exprimant l'addition des vecteurs avec un décalage des ordonnées qui amène les valeurs minimales résultant de vecteurs en opposition sur un même niveau qui constitue le zéro de cette évaluation. Dans la représentation des interférences qui nous intéressent, on peut observer que la position relative des interférences et de leur courbe enveloppe peut évoluer entre deux cas extrêmes, séparés par une distance correspondant à un quart de longueur d'onde. Si un maximum des interférences coïncide avec un maximum de la courbe enveloppe, chaque période de cette courbe enveloppe renferme un seul maximum de valeur relative 1. Si au contraire c'est un minimum des interférences qui coïncide avec un maximum de la courbe enveloppe, chaque période de cette courbe enveloppe renferme deux maxima de valeur relative 1/2. Mais comme l'énergie lumineuse est proportionnelle au carré de l'amplitude des ondes représentatives, les énergies relatives sont 1 dans le premier cas et 2 x 1/4 = 1/2 dans le second cas. La mesure tachymétriques est représentée par la quantité dont il faut faire varier le trajet optique séparant deux éléments optiques présents sur le trajet de l'un des faisceaux pour rétablir la coïncidence correspondant à l'un de ces deux cas, que l'on a observée par mesure photométrique au moment du réglage du zéro, lorsque la vitesse axiale de l'appareil dans le référentiel étudié était nulle. Dans le référentiel de Sagnac, un déplacement de l'appareil à vitesse v donne à la lumière circulant dans l'appareil parallèlement à ce déplacement une vitesse C + v si la lumière se propage en sens inverse du déplacement, une vitesse C û v si la lumière se propage dans le sens du déplacement. En appelant D la distance sur laquelle la lumière se propage dans la direction de mesure avec une polarisation circulaire, et F la fréquence de l'onde lumineuseä la distance D représente un nombre de périodes respectivement D.F/C dans l'appareil immobile dans le référentiel ou lorsque la direction de mesure est perpendiculaire au déplacement, et D.F/(C+v) lorsqu'il existe un déplacement parallèle à la direction de mesure, si l'on compte v algébriquement en sens positif opposé à la propagation de la lumière. Si l'appareil a été réglé au zéro dans le premier cas, la variation de trajet optique nécessaire pour rétablir l'intensité lumineuse de sortie mesurée initialement, exprimée en périodes vaut la moitié du déphasage exprimé par: DF((1/(C+v)) = DF((C-C-v)I(C2+vC)) = DF(-vl(C2+vC)) qu'on peut assimiler à DF (v / C2 ) = D(Cllambda)(v/C2) = ( D / lambda ) ( v / C ) en valeurs absolues. A la latitude de Paris, la vitesse tangentielle de la rotation diurne de la Terre est de l'ordre de 300 m/s: avec l'appareil conforme à l'invention, équipé d'une source de lumière monochromatique de longueur d'onde lambda = 640 nm, et une distance D = 0,160 m en arrondissant C à :300 000 kmls, la mesure représente un déphasage: ( 0,160 / 0, 000000640) x ( 300 / 300 000 000 ) = 0,25 période, faisant tourner de 90 le vecteur de Fresnel composé, amenant ainsi la lumière émergeant de l'analyseur final du maximum d'intensité à son minimum ou viceûversa. Le dessin annexé illustre une réalisation expérimentale de l'invention: la figure unique 1 représente une vue schématique en plan du système optique de l'appareil conforme à l'invention. En référence à ce dessin, l'appareil comprend une source de lumière monochromatique (1) telle qu'un laser muni d'un élargisseur de faisceau qui en réduit la divergence ou une diode laser munie d'un collimateur. Le faisceau lumineux émis par cette source traverse d'abord un polariseur (2). Ce polariseur est de type à séparation de faisceaux, par exemple cube formé de deux prismes à base triangle rectangle, accolés par leur hypoténuse, la surface de séparation étant recouverte d'un traitement approprié. Si la lumière émise par la source elle-même est déjà polarisée, il est impératif d'accorder les directions de polarisation pour égaliser les intensités des faisceaux transmis et réfléchi. Le faisceau lumineux transmis présente alors une polarisation rectiligne de type P alors que le faisceau réfléchi présente une polarisation de type S. D'abord renvoyé dans la direction de mesure par le miroir (3), ce faisceau traverse ensuite la lame quart d'onde (4) où sa polarisation se transforme en une polarisation circulaire dont le vecteur de Fresnel composé tourne autour de l'axe optique à la vitesse d'un tour par période de l'onde lumineuse. Les deux faisceaux lumineux traversent ainsi la distance D, le premier avec une polarisation rectiligne, le second avec une polarisation circulaire. Par l'action d'un second miroir (5), les deux faisceaux se rencontrent dans le cube mélangeur (6) qui ne doit avoir que le moins possible d'effet polarisant, de manière à assurer l'équilibre entre les énergies lumineuses dont les interférences servent à la mesure par le capteur photométrique (8) placé à la sortie de l'analyseur de polarisation (7), de constitution et d'orientation identiques à celles du polariseur (2), et qui assure l'élimination des résidus de lumière à polarisation S. L'élément (9) représente un variateur à deux prismes symétriques d'écartement variable, donnant à la variation du trajet optique dans lequel il est interposé une résolution inférieure à 2 nanomètres. Contesté par la Théorie de la Relativité d'Einstein, le caractère galiléen du référentiel qui gouverne la propagation des ondes électromagnétiques dans l'environnement terrestre est cependant démontré aussi bien par les expériences de Sagnac que par la différence entre les temps de propagation d'un signal tel que G.P.S. émis par un satellite jusqu'à sa réception par l'utilisateur terrestre, temps de propagation plus longs si l'observateur est à l'Est du satellite, plus courts s'il est à l'Ouest, pour des mêmes différences en longitude. Cette démonstration, particulièrement frappante dans le cas d'un satellite équatorial géostationnaire, ne peut cependant pas prendre place dans un amphithéâtre universitaire, ce qui ouvre à la présente invention un champ d'application prioritaire. REVENDICATIONS 1) Appareil optique pour l'étude du référentiel de propagation des ondes électromagnétiques et pour les mesures tachymétriques pouvant découler de cette étude comportant de manière connue un dispositif permettant de mesurer le déphasage d'un faisceau lumineux qui se produit entre deux repères d'observation séparés par une distance connue selon que l'appareil est immobile dans le référentiel étudié ou qu'il s'y déplace parallèlement à la direction définie par les repères d'observation, caractérisé en ce que cette mesure de déphasage est obtenue par la mesure de l'angle de rotation du vecteur indiquant l'orientation instantanée de la résultante des deux ondes qui composent une vibration lumineuse en polarisation circulaire lorsque cette vibration parcourt la dite distance séparant les deux repères d'observation. 2) Appareil optique pour l'étude du référentiel de propagation des ondes électromagnétiques et pour les mesures tachymétriques pouvant découler de cette étude comportant de manière connue un dispositif permettant de mesurer le déphasage d'un faisceau lumineux qui se produit entre deux repères d'observation séparés par une distance connue selon que l'appareil est immobile dans le référentiel étudié ou qu'il s'y déplace parallèlement à la direction définie par les repères d'observation, dans lequel cette mesure de déphasage est obtenue par la mesure de l'angle de rotation du vecteur indiquant l'orientation instantanée de la résultante des deux ondes qui composent une vibration lumineuse en polarisation circulaire, caractérisé par l'emploi des propres interférences classiques comme repères fixe et des modulations introduites dans ces interférences par la rencontre de la polarisation circulaire et de la polarisation rectiligne comme variables mesurables par les variations photométriques globales qui résultent de la position relative de ces éléments.