Description de la diffraction légère, applications, exemples

La Diffraction légère C'est le nom qui reçoit la distorsion d'un faisceau lumineux lorsqu'il affecte un petit objet ou une petite ouverture sur un écran. C'est l'Italien Francesco Maria Grimaldi qui a donné le nom de la diffraction à ce phénomène et le premier à l'étudier en 1665.

Lorsque l'objet ou la fente qui intercepte le faisceau lumineux est de l'ordre des dixièmes de millimètre ou moins, l'ombre projetée n'est pas exacte. Il se propage plutôt ce qui devrait être son ombre géométrique. C'est parce que le faisceau lumineux est détourné et se propage sur les bords de l'obstacle.

Diffraction de la lumière d'un pointeur laser en raison d'une ouverture carrée et de son modèle de diffraction projeté sur un écran. Source: F. Zapata.

La figure supérieure montre un motif très particulier de zones claires et sombres qui alternent. Il est produit par la lumière d'un pointeur laser (longueur d'onde 650 nm) lors du passage d'une fente carrée de 0,1 mm x 0,1 mm et est projetée sur un écran. 

Ce phénomène de formation de motifs est également observé dans les ondes sonores et les ondes à la surface de l'eau, ainsi que dans les ondes radio et les rayons x. C'est pourquoi nous savons que c'est un phénomène éminemment ondulé.

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Description du phénomène de diffraction

Dans un paquet de lumière monochromatique (qui contient une seule longueur d'onde) comme la lumière laser, la diffraction du faisceau lumineux incident sur l'obstacle forme un motif de bandes de lumière et de sombres lors de la projection sur un écran.

À cette disposition de zones claires et sombres, on l'appelle schéma de diffraction.

Principe de Fresnel - Huygens

Diffraction des vagues à la manière de Huygens et de Fresnel

La diffraction est expliquée classiquement, selon Principe de Fresnel - Huygens.

Il vient de la superposition des ondes sphériques émanant du bord de l'obstacle et des autres points du front d'onde qui borde les bords, de sorte qu'une interférence entre les vagues de cet ensemble de sources secondaires se produit. 

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Lorsque deux vagues ou plus coïncident au même endroit d'espace, les interférences entre elles se produisent. Il peut alors arriver que leurs amplitudes respectives soient ajoutées ou soustraites, après quoi chacune suit.

Tout dépend de savoir si les vagues coïncident en phase. Si c'est le cas, les amplitudes sont ajoutées.

C'est pourquoi le modèle de diffraction a des zones éclairées et sombres. 

Contrairement au phénomène d'interférence lumineux, dans lequel le nombre de sources d'ondes est de deux ou trois, en cas de diffraction, le nombre de sources secondaires d'ondes sphériques est très grande et a tendance à former un continuum de Fuentes. 

L'interférence ondulée dans la diffraction est plus notable si la source a une seule longueur d'onde et que tous les photons qui composent le faisceau lumineux sont en phase, tout comme le cas de la lumière d'un laser.

Applications de diffraction légère

Détection de défaillance ou fractures de surface

La interférométrie marbrée C'est l'une des applications pratiques du phénomène de diffraction lumineuse.

Lorsqu'une surface est illuminée avec une lumière laser, le front de l'onde lumineuse.

Il existe un modèle de diffraction avec une apparence marbrée (Mouchet en anglais), qui donne des informations de la surface à partir de laquelle les photons réfléchis viennent.

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De cette façon, des échecs ou des fractures peuvent être détectés dans une pièce, qui ne serait guère visible à l'œil nu.

Amélioration des images photographiques

La connaissance des modèles de diffraction présents dans les images photographiques ou numériques d'objets astronomiques: les étoiles ou les astéroïdes, sert à améliorer la résolution des images astronomiques.

La technique consiste à collecter un grand nombre d'images du même objet qui sont individuellement de peu de définition ou de luminosité.

Ensuite, lorsqu'ils sont traités par calcul et extraient le bruit de la diffraction, ils se traduisent par une image de résolution plus grande.

Ainsi, il est possible de montrer des détails utilisés auparavant dans les originaux, en raison précisément de la diffraction lumineuse.

Exemples quotidiens de diffraction

La diffraction est un phénomène que nous avons sûrement tous observé, mais nous n'identifions pas toujours correctement son origine. Ici, nous avons quelques exemples:

Arc-en-ciel

L'arc-en-ciel est principalement causé par le chevauchement des ondes réfractives et réfléchies à l'intérieur des minces gouttes d'eau.

Ils constituent un très grand ensemble de sources lumineuses secondaires, dont les vagues interfèrent le motif coloré de l'arc-en-ciel que nous admirons après la pluie.

Couleurs de CD

La lumière qui rebondit un CD ou un DVD forme également des motifs colorés frappants. Ils ont leur origine dans le phénomène de la diffraction de la lumière reflétée par les rainures sous-militaires qui composent les indices.

Hologrammes

L'hologramme qui apparaît généralement sur les cartes de crédit et les produits de la marque, forme une image à trois dimensions.

Cela est dû à la superposition des vagues des innombrables points de réflexe imprimés. Ces points ne sont pas distribués au hasard, mais ont été formés par le modèle de diffraction de l'objet d'origine, qui a été illuminé avec une lumière laser et gravé plus tard sur une plaque photographique.

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Halos autour des corps lumineux

Les halesses lumineuses ou les tourbillons soline tels qu'ils sont également connus sont formés par la diffraction de la lumière par les particules ou les cristaux présents dans la haute atmosphère. Source: Pixabay.

Parfois, vous pouvez voir des grêles ou des anneaux autour du soleil ou de la lune.

Ils sont formés parce que la lumière de ces corps célestes rebondit ou se reflète dans une innombrable quantité de particules ou de cristaux formés dans la haute atmosphère.

Ils agissent à leur tour comme des sources secondaires et leur superposition se traduit par le modèle de diffraction qui forme le halo céleste.

Couleurs de bulles de savon

L'irisation de certaines surfaces telles que des bulles de savon ou des ailes translucides de certains insectes, s'explique par la diffraction de la lumière. Dans ces surfaces, les tons et les couleurs de la lumière observées varient en fonction de l'angle d'observation.

Les photons reflétés dans les minces couches semi-transparents constituent un grand ensemble de source lumineuse qui interfère de manière constructive ou destructrice.

Forment ainsi les motifs correspondant aux différentes longueurs d'onde ou couleurs, dont la lumière source d'origine est composée. 

De sorte que seules les longueurs d'onde de certaines trajectoires sont observées: celles allant des points réfléchis à l'œil de l'observateur et ont une différence complète dans les longueurs d'onde.

Les longueurs d'onde qui ne répondent pas à cette exigence sont annulées et ne peuvent pas être observées.

Les références

1. Bauer, w. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 7. Vagues et physique quantique. Édité par Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. 6e. Ed Prentice Hall.
4. SERAY, R., Jewett, J. (2008). Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Élégant. Cengage Learning.
5. Tipler, P. (2006). Physique pour la science et la technologie. 5e ed. Volume 1. Éditorial Revered.
6. Wikipédia. Diffraction. Récupéré de: est.Wikipédia.org.