Le phénomène de diffraction et son exploitation

1) Phénomène de diffraction


  • Passage de la lumière par une ouverture rectangulaire de petites dimensions
Une source de lumière éloignée (phare de voiture, réverbère) , observée à travers un voile à mailles fines d’une fenêtre, présente une forme de croix irisée. Il y a étalement de la lumière dans deux directions perpendiculaires.

Une plaque percée d’une ouverture rectangulaire éclairée par un faisceau laser (lumière monochromatique) conduit à la formation, sur un écran éloigné, d’une figure de diffraction. Ce motif lumineux ne peut pas s’interpréter par les lois de l’optique géométrique, qui prévoit la formation d’une image rectangulaire.

  • Diffraction par un bord d’écran
Le bord d’une lame de rasoir, placé sur le trajet des rayons lumineux issus d’une source diffracte aussi la lumière.

  • Conclusion
La diffraction de la lumière (du latin diffringere = briser) s’observe chaque fois que les rayons lumineux sont déviés de leur trajectoire rectiligne et que cette déviation ne peut s’expliquer par une simple réflexion ou réfraction. La diffraction se produit lorsque la lumière traverse une ouverture de petites dimensions devant la longueur d’onde de la lumière utilisée. Dans le domaine optique, où les longueurs d’onde sont comprises entre 0,4 et 0,8 µm , une ouverture d’une fraction de millimètre constitue une ouverture diffringente : les rayons sont diffractés à sa sortie.

2) Étude quantitative en lumière monochromatique


  • Diffraction par une ouverture circulaire
Une plaque percée d’une ouverture circulaire de très petit diamètre est placée sur le trajet d’un pinceau de lumière quasi cylindrique émis par un laser. Sur un écran situé loin de l’ouverture (observation « à l’infini ») , on observe une figure de diffraction constituée d’une tache centrale brillante entourée par des anneaux concentriques alternativement brillants et noirs. Ces anneaux de diffraction « à l’infini » ont été observés et étudiés pour la première fois par Joseph von FRAUNHOFER en 1823.
L’angle d’ouverture 2ϴ de la tache centrale (tache d’Airy) est donnée par la relation :
2 ϴ = 1,22.λ
              a


  • ϴ s’exprime en radian
  • a désigne le rayon de l’ouverture circulaire diffractante (en mètre)
  • λ est la longueur d’onde de la radiation utilisée (en mètre).

  • Diffraction par une fente

La diffraction par une fente « infiniment » longue de largeur a (largeur négligeable devant la longueur) donne, sur l’écran, une succession de taches alternativement brillantes et sombres :

- suivant une direction perpendiculaire à la fente si le faisceau laser est envoyé directement sur cette dernière
- suivant une direction parallèle à la fente si la totalité de cette dernière est éclairée par le faisceau laser élargi grâce à l’interposition d’une lentille cylindrique (baguette de verre) entre la source laser et la fente.

La tache centrale présente une étendue double des taches latérales qui l’entourent et qui sont de moins en moins lumineuses.

On constate expérimentalement que :

- la largeur de la tache de diffraction centrale est inversement proportionnelle à la largeur a de la fente diffractante (si la largeur de la fente diffractante double, la tache centrale diminue de moitié);
- la largeur de la tache de diffraction centrale est proportionnelle à la longueur d’onde λ (si la longueur d’onde double, la dimension de la tache centrale double aussi) .

  • Conclusion
L’importance du phénomène de diffraction (c’est-à-dire la largeur de la tache centrale) est liée au rapport  / a des dimensions de l’obstacle (objet ou fente) à la longueur d’onde.

3) Étude qualitative en lumière blanche


En lumière polychromatique, chaque radiation de longueur d’onde λ donne sa propre figure de diffraction La superposition de ces figures conduit à l’observation de zones colorées (mis à profit dans les réseaux) 

 
 
 


 


 

 

 









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