Interférence et diffraction

L’interférence et la diffraction sont des phénomènes caractéristiques de toutes les ondes, des ondes d’eau aux ondes électromagnétiques telles que la lumière.

L’interférence fait référence au phénomène où deux ondes du même type se chevauchent pour produire une onde résultante de plus grande, plus faible ou de même amplitude.

La diffraction est définie comme la courbure d’une onde autour des coins d’un obstacle ou d’une ouverture. Dans ce cas, des parties différentielles de l’onde peuvent interférer et donner lieu à une alternance spatiale de grande et de petite amplitude.

Cette vidéo démontrera la nature ondulatoire de la lumière en observant les modèles de diffraction et d’interférence.

Une onde est une oscillation de l’amplitude d’une certaine quantité physique dans l’espace et/ou le temps. L’interférence est l’un des phénomènes les plus caractéristiques associés aux ondes.

Différentes parties d’ondes peuvent se chevaucher et « interférer » pour produire une alternance spatiale d’amplitudes d’ondes fortes et faibles, appelée motif d’interférence. Lorsque les amplitudes des ondes interférentes s’additionnent, on parle d’interférence constructive ; tandis que, lorsque leurs amplitudes se soustraient l’une à l’autre, on parle d’interférence destructrice.

Or, si la lumière de longueur d’onde lamda est projetée sur une seule fente étroite, l’intensité loin de la fente alterne entre des valeurs grandes et petites ou presque nulles, correspondant à des régions « lumineuses » et « sombres », également appelées « franges ». Le centre de ce motif est toujours brillant, le long de l’axe y de la fente.

Cette alternance est connue sous le nom de « motif de diffraction » de la lumière à travers une petite ouverture. C’est un phénomène caractéristique des vagues. Plus précisément, des points entre les deux bords de l’ouverture ? ré-émettre », ou en d’autres termes « diffracter » l’onde lumineuse dans différentes directions.

L’interférence entre différentes parties des ondes lumineuses diffractées entraîne la formation du motif de diffraction.

Dans le cas de deux fentes rapprochées, le motif formé, connu sous le nom de « motif d’interférence à double fente de Young », est dû à l’interférence de la lumière diffractée des deux fentes. Le protocole suivant montre comment configurer les expériences à fente simple et à double fente et interpréter leurs résultats.

Rassemblez le matériel et les instruments nécessaires à l’expérience, y compris un pointeur laser hélium-néon avec une longueur d’onde ~633 nm, quelques lames de rasoir minces, du papier d’aluminium, du carton, une règle, une paire de ciseaux, un bloc de bois et des lunettes de sécurité laser.

À l’aide d’une paire de ciseaux, coupez la feuille d’aluminium en deux morceaux carrés d’environ 2 pouces sur 2 pouces. Coupez également le carton en deux morceaux carrés d’environ 3 pouces sur 3 pouces avec un trou d’environ 1 pouce de diamètre au centre.

Ensuite, prenez un morceau de papier d’aluminium et, à l’aide d’une lame de rasoir, découpez une fente droite d’environ 1 centimètre de long au milieu du papier d’aluminium. Collez le film sur un carton avec la fente positionnée à l’intérieur du trou.

Maintenant, collez un bord du carton sur le bloc de bois et faites glisser le mur blanc à environ 30 centimètres de la fente. Assurez-vous que le carton est perpendiculaire à la surface de la table, et que le trou et la fente verticale sont exposés et face au mur.

Placez le pointeur laser de l’autre côté du carton monté, tout en vous assurant que le faisceau laser sera parallèle à la table. Portez maintenant les lunettes de sécurité laser, allumez le pointeur laser et dirigez le faisceau laser sur la fente.

Éteignez la lumière de la pièce et observez le motif lumineux sur le mur de l’autre côté de la feuille. Éteignez le pointeur laser et retirez les lunettes de sécurité laser.

Ensuite, empilez trois lames de rasoir de manière à ce que la lame du milieu soit encastrée. Prenez l’autre feuille d’aluminium et, à l’aide de la pile de lames de rasoir et d’une règle, découpez deux fentes parallèles droites étroitement espacées, d’environ 1 centimètre de long au milieu de la feuille. Collez maintenant le film sur l’autre carton, puis collez-le sur le bloc de bois comme précédemment.

Portez les lunettes de sécurité laser, allumez le pointeur laser et dirigez le faisceau laser sur la double fente. Éteignez la lumière de la pièce et observez le motif lumineux sur le mur de l’autre côté de la feuille. Enfin, éteignez le pointeur laser.

Le protocole étant terminé, passons maintenant en revue les résultats des expériences à fente simple et à double fente. Dans l’expérience de la fente unique, le motif lumineux observé sur la paroi présente les franges de diffraction caractéristiques. La frange brillante centrale est environ deux fois plus large, dans la direction y, que les autres franges brillantes qui sont toutes à peu près de la même largeur.

De plus, l’intensité des franges brillantes diminue du centre vers les franges périphériques le long de l’axe des y. Cela est attendu pour le motif de diffraction à fente unique, car les rayons lumineux parallèles du laser se courbent au niveau de la fente et se chevauchent de manière constructive, formant les franges lumineuses et formant de manière destructive les bandes sombres entre les deux.

Dans l’expérience de la double fente, le motif lumineux observé sur le mur présente les franges d’interférence caractéristiques.

Ces franges d’interférence sont beaucoup plus étroites que les régions brillantes du motif de diffraction. En effet, la séparation entre les fentes 'd' est beaucoup plus grande que la largeur de la fente 'a', et c’est l’inverse de la séparation entre les fentes qui contrôle la largeur des franges d’interférence. Cependant, c’est l’inverse de la largeur de la fente 'a' qui contrôle la largeur des franges de diffraction.

La diffraction et l’interférence de la lumière ont joué un rôle essentiel dans l’établissement que la lumière est une onde électromagnétique. Ainsi, ces effets sont importants dans de nombreuses technologies basées sur l’optique et la photonique.

La spectroscopie de diffraction laser est une technologie qui utilise les motifs de diffraction d’un faisceau laser passant à travers n’importe quel objet - allant du nanomètre au millimètre - pour mesurer rapidement les dimensions géométriques d’une particule.

Un capteur est utilisé pour détecter l’orientation de la lumière laser et un ordinateur est ensuite utilisé pour détecter la taille des particules de l’objet à partir de l’énergie lumineuse produite et de sa disposition.

L’interférométrie est une technique qui utilise la superposition et l’interférence des ondes pour mesurer avec précision les distances, les petits déplacements, les changements d’indice de réfraction et les irrégularités de surface.

Ici, deux ondes de même fréquence, mais de longueur de trajet différente, interfèrent, ce qui entraîne un motif d’interférence. Ce motif peut ensuite être utilisé pour effectuer une mesure précise du paramètre inconnu. Cette même technique d’interférométrie est utilisée dans le LIGO ou Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, qui sont d’énormes détecteurs construits pour détecter les ondes gravitationnelles.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la diffraction et à l’interférence de la lumière. Vous devriez maintenant être en mesure de comprendre la théorie derrière la formation des motifs de lumière de diffraction et d’interférence, qui a été démontrée à l’aide des expériences à fente simple et à double fente. Merci d’avoir regardé !