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.
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
où
- 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) .
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)