Interférences et Diffraction

Physics II

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Overview

Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana

Interférence et diffraction sont des phénomènes caractéristiques d’ondes, allant de l’eau des vagues aux ondes électromagnétiques tels que la lumière. Interférences se réfère au phénomène de lorsque deux ondes de même nature se chevauchent pour donner une alternance variation spatiale de l’amplitude de l’onde de grandes et petites. Diffraction désigne le phénomène de quand une vague passe par une ouverture ou va autour d’un objet, différentes parties de l’onde peuvent interférer et aussi donner lieu à une alternance spatiale de grande et petite amplitude.

Cette expérience démontrera la nature ondulatoire de la lumière en observant la diffraction et les interférences d’une lumière laser en passant par une fente unique et doubles fentes, respectivement. Les fentes sont simplement taillés à l’aide de lames de rasoir dans une feuille d’aluminium et les motifs caractéristiques de la diffraction et les interférences se manifestent comme motifs d’une alternance de franges claires et sombres sur un écran placé après le film, lorsque la lumière est brillait à travers les slit(s) sur la feuille. Historiquement, l’observation de la diffraction et les interférences de la lumière joue un rôle important dans l’établissement que la lumière est une onde électromagnétique.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Notions essentielles de physique II. Interférences et Diffraction. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Procedure

1. acquérir les composants requis pour l’expérience

  1. Obtenir des lunettes de protection laser et porter au cours de cette expérience avant d’allumer le laser.
  2. Obtenir un morceau de papier d’aluminium et utiliser des ciseaux pour couper en deux (environ) 2 x 2 en morceaux carrés.
  3. Obtenir deux cartons, chacun d’environ 3 x 3, avec un trou (environ 1 po de diamètre) coupés au milieu.
  4. Obtenir un dispositif qui puisse se fixer le carton ou un bloc auquel le carton peut être enregistré.
  5. Obtenir quelques fines lames de rasoir.
  6. Obtenir un pointeur de laser He-Ne avec la longueur d’onde ~ 633 nm ou vert des pointeur laser avec la longueur d’onde de 532 nm.

2. simple fente Diffraction

  1. Prendre un carré de papier d’aluminium et d’utiliser une lame de rasoir pour couper une fente environ 1 cm de long au milieu de la feuille. Utilisez une règle pour guider le rasoir pour obtenir une coupe droite.
  2. Scotchez la feuille sur un carré de carton avec la fente orientée horizontalement à l’intérieur de l’ouverture (schématiquement représenté dans la Figure 3 a). Mettre du ruban autour des coins de la feuille (ne pas couvrir la fente). Le carton permet de stabiliser la feuille lors de cette expérience. Fixer un bord du carton avec l’appareil (le carton doit être perpendiculaire à la surface de la table), avec le trou et la fente horizontale exposés et face à un mur blanc (qui sera à l’écran) environ 30 cm de distance.
  3. Le pointeur laser s’allume et faire briller le faisceau laser (se propageant dans la direction perpendiculaire à la feuille) sur la fente. Observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Éteindre la salle lumière pour améliorer la visibilité du modèle.

3. double fendez l’interférence

  1. Prendre l’autre feuille d’aluminium. Ensemble de 3 lames de rasoir la pile, mais avec la lame médiane de bord encastré des bords des deux autres pales. Utilisez cette pile pour couper deux fentes rapprochées dans le milieu de la feuille (chacun d’environ 1 cm de long). Utilisez une règle pour mieux guider le rasoir et faire une coupe droite.
  2. Tape la feuille sur l’autre carton (schématiquement représenté dans la Figure 4 a) et appuyer encore une fois le carton avec le vice ou le bloc, similaire à l’étape 2.2.
  3. Le pointeur laser s’allume et faire briller le faisceau laser sur la double fente. Observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Éteindre la salle lumière pour améliorer la visibilité du modèle.

Interférence et diffraction sont des phénomènes caractéristiques de toutes les vagues, des vagues de l’eau aux ondes électromagnétiques tels que la lumière.

Interférence désigne le phénomène où deux vagues du même genre chevauchement pour produire une onde résultante supérieure, inférieure, ou la même amplitude.

Diffraction est définie comme la flexion d’une onde de tous les coins d’un obstacle ou une ouverture. Dans ce cas, des pièces de différentiel de l’onde peuvent interférer et donnent lieu à une alternance spatiale de grande et petite amplitude.

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

Une vague est une oscillation de l’amplitude d’une quantité physique dans l’espace et/ou de temps. Interférence est un des phénomènes plus caractéristiques associées aux vagues.

Différentes parties d’ondes peuvent se chevauchent et « intervenir » pour produire une alternance spatiale des amplitudes de l’onde de forte et faible, appelé une figure d’interférence. Lorsque les amplitudes des ondes interférentes s’additionnent, il est appelé interférence constructive ; considérant que, lorsque leurs amplitudes soustraire les uns des autres, il est appelé interférence destructive.

Maintenant, si la lumière de longueur d’onde lambda, est brillait sur une seule fente étroite, l’intensité loin des remplaçants de fente entre grands et petits ou valeurs presque nulles, correspondant à des régions « brillantes » et « sombres », également connu sous le nom de « marge ». Le centre de ce modèle est toujours lumineux, le long de l’axe des y de la fente.

Cette alternance est connue comme le « schéma de diffraction » de la lumière à travers une petite ouverture. C’est un phénomène caractéristique des ondes. Plus précisément, des points entre les deux bords de l’ouverture « ré-émettent », ou en d’autres termes « diffracter » l’onde lumineuse vers des directions différentes.

Interférences entre les différentes parties des résultats dans la formation de la structure par diffraction des ondes lumineuses diffractée.

Dans le cas de deux fentes très rapprochées, le modèle formé, connu comme le « modèle de double-fendez l’interférence de Young », est due à l’interférence de la lumière diffractée de deux fentes. Le protocole suivant montre comment configurer les expériences fente simple et double fente et interpréter leurs résultats.

Rassembler les matériaux nécessaires et les instruments pour l’expérience, y compris un pointeur de laser hélium-néon avec longueur d’onde ~ 633nm, quelques fines lames de rasoir, aluminium, carton, une règle, des ciseaux, un bloc de bois et sécurité laser lunettes.

Avec une paire de ciseaux, couper le papier d’aluminium en deux morceaux carrés environ 2 pouces par 2 pouces. En outre, couper le carton en deux morceaux de carré d’environ 3 pouces par 3 pouces avec un trou d’environ 1 pouce diamètre au centre.

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

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

Placez le pointeur laser de l’autre côté du carton monté, tout en veillant à ce que le faisceau laser sera parallèle à la table. Maintenant porter les lunettes de sécurité laser, pointeur laser s’allume et briller le faisceau laser sur la fente.

Éteindre la lumière de la salle et d’observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Désactiver le pointeur laser et enlever les lunettes de protection laser.

Ensuite, empiler trois lames de rasoir, telle que la lame intermédiaire est en retrait. Prenez l’autre feuille d’aluminium et en utilisant la pile de lames de rasoir et une règle coupe deux fentes parallèles, rectilignes très rapprochées, environ 1 centimètre de long au milieu de la feuille. Maintenant la feuille sur l’autre carton de bandes et coller ensuite sur le bloc en bois comme avant.

Porter les lunettes de sécurité laser, pointeur laser s’allume et briller le faisceau laser sur la double fente. Éteindre la lumière de la salle et d’observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Enfin, éteindre le pointeur laser.

Avec le protocole terminé, laissez-nous maintenant dresser un bilan de la fente unique et les expériences de double fente. Dans le single slit experiment, la répartition de la lumière observée sur le mur présente des franges de diffraction caractéristiques. La frange lumineuse centrale est environ deux fois aussi large, sur l’axe y, comme les autres franges lumineuses qui sont tout autour de la même largeur.

En outre, l’intensité de la désintégration de franges lumineuses du centre de la frange périphérique le long de l’axe des ordonnées. C’est prévu pour le patron de diffraction de fente unique, comme les rayons lumineux parallèles du laser se plient à la fente et se chevauchent de manière constructive, formant les franges lumineuses et destructive formant les bandes sombres entre les deux.

Dans l’expérience de la double fente, la répartition de la lumière observée sur le mur expose les franges d’interférence caractéristique.

Ces franges d’interférences sont beaucoup plus étroites que les régions brillantes du patron de diffraction. C’est parce que la séparation inter-fente avait ' est beaucoup plus grande que la largeur de la fente « a » et c’est l’inverse de la séparation inter-fente 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 les interférences de la lumière a 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.

Spectroscopie de diffraction au laser, est une technologie qui utilise des patrons de diffraction d’un faisceau laser, transmis par le biais de n’importe quel objet--allant de nanomètres à millimètres dans la taille--pour mesurer rapidement les dimensions géométriques d’une particule.

Un capteur est utilisé pour détecter la pêche à la ligne de la lumière laser et un ordinateur est ensuite utilisé pour détecter des particules de taille de l’objet de l’énergie lumineuse produite et son agencement.

L’interférométrie est une technique qui utilise la superposition et l’interférence des ondes pour la mesure précise des distances, petits déplacements, changements de l’indice de réfraction et irrégularités de surface.

Ici, deux vagues de la même fréquence, mais la longueur de chemin d’accès différent s’immiscer, qui se traduit par une figure d’interférence. Ce modèle permet alors de faire une mesure précise du paramètre inconnu. Cette même technique de l’interférométrie est utilisée dans la LIGO ou Laser Interferometer Gravitational Wave Observatoire, qui sont énormes détecteurs conçus pour détecter les ondes gravitationnelles.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE de diffraction et d’interférence de la lumière. Vous devriez maintenant être en mesure de comprendre la théorie derrière la formation de la diffraction et les interférences des motifs lumineux, qui a été démontrée en utilisant les expériences fente simple et double fente. Merci de regarder !

Results

Pour étape 2.3, une répartition de la lumière représentante qui peut être observée sur le mur est indiquée dans la Figure 3 b, présentant des franges de diffraction caractéristiques. Notez que la frange lumineuse centrale est environ deux fois aussi large (dans y-direction) comme les autres brillants franges (qui sont à peu près la même largeur) et la sur l’intensité de la désintégration de franges lumineuses du centre le long de y-axe, comme prévu pour le patron de diffraction de fente unique.

Pour l’étape 3.3, une répartition de la lumière représentante qui peut être observée sur le mur apparaît en Figure 4 b. Il y a un motif de modulation intensité globale qui s’affiche comme le patron de diffraction observé à l’étape 2.3. C’est en effet le patron de diffraction à chacune des fentes étroites. Dans les régions brillantes du patron de diffraction, on peut observer environ également espacés brillants stripes. Ce sont les franges d’interférence double fente. Ces franges d’interférences sont beaucoup plus étroites que les régions brillantes du patron de diffraction, parce que la séparation inter-fente d est beaucoup plus grande que la fente Largeur a (l’inverse de ces longueurs contrôler la largeur des franges d’interférence ou de diffraction, respectivement).

Figure 3

Figure 3. Schéma : (a) un faisceau laser qui brille sur une seule fente sur feuille d’aluminium, qui se fixe sur carton avec un trou ouvert ; et franges de diffraction représentatif (b) observée sur un écran après la fente.Figure 4

Figure 4. Schéma : (a) un laser à faisceau brillant sur doubles fentes sur feuille d’aluminium, qui se fixe sur carton avec un trou ouvert ; et franges d’interférence représentatif (b) observée sur un écran après les doubles fentes.

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons démontré le patron de diffraction de fente unique et double fente interférence de la lumière, à l’aide d’un faisceau laser. Observant ces phénomènes d’onde caractéristique démontre la nature ondulatoire de la lumière.

La diffraction et les interférences de la lumière jouèrent un rôle essentiel dans le développement de l’optique qu’ils ont aidé à établir que la lumière est une onde électromagnétique. Ces effets sont également importants dans de nombreuses technologies basées sur l’optique et la photonique. Par exemple, la diffraction est couramment utilisée pour mesurer la taille d’un petit objet ou petits trous, et est également un aspect important à considérer lors concevoir des microscopes optiques et systèmes d’imagerie. Mesure d’interférence optique (dite « interférométrie ») peut être utilisé pour la mesure de la précision des distances (comme celles entre les sources lumineuses ou miroirs) et ont trouvé des applications allant de l’usinage, géologie et l’astronomie (par exemple, dans le projet LIGO qui a détecté des ondes gravitationnelles).

L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.

1. acquérir les composants requis pour l’expérience

  1. Obtenir des lunettes de protection laser et porter au cours de cette expérience avant d’allumer le laser.
  2. Obtenir un morceau de papier d’aluminium et utiliser des ciseaux pour couper en deux (environ) 2 x 2 en morceaux carrés.
  3. Obtenir deux cartons, chacun d’environ 3 x 3, avec un trou (environ 1 po de diamètre) coupés au milieu.
  4. Obtenir un dispositif qui puisse se fixer le carton ou un bloc auquel le carton peut être enregistré.
  5. Obtenir quelques fines lames de rasoir.
  6. Obtenir un pointeur de laser He-Ne avec la longueur d’onde ~ 633 nm ou vert des pointeur laser avec la longueur d’onde de 532 nm.

2. simple fente Diffraction

  1. Prendre un carré de papier d’aluminium et d’utiliser une lame de rasoir pour couper une fente environ 1 cm de long au milieu de la feuille. Utilisez une règle pour guider le rasoir pour obtenir une coupe droite.
  2. Scotchez la feuille sur un carré de carton avec la fente orientée horizontalement à l’intérieur de l’ouverture (schématiquement représenté dans la Figure 3 a). Mettre du ruban autour des coins de la feuille (ne pas couvrir la fente). Le carton permet de stabiliser la feuille lors de cette expérience. Fixer un bord du carton avec l’appareil (le carton doit être perpendiculaire à la surface de la table), avec le trou et la fente horizontale exposés et face à un mur blanc (qui sera à l’écran) environ 30 cm de distance.
  3. Le pointeur laser s’allume et faire briller le faisceau laser (se propageant dans la direction perpendiculaire à la feuille) sur la fente. Observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Éteindre la salle lumière pour améliorer la visibilité du modèle.

3. double fendez l’interférence

  1. Prendre l’autre feuille d’aluminium. Ensemble de 3 lames de rasoir la pile, mais avec la lame médiane de bord encastré des bords des deux autres pales. Utilisez cette pile pour couper deux fentes rapprochées dans le milieu de la feuille (chacun d’environ 1 cm de long). Utilisez une règle pour mieux guider le rasoir et faire une coupe droite.
  2. Tape la feuille sur l’autre carton (schématiquement représenté dans la Figure 4 a) et appuyer encore une fois le carton avec le vice ou le bloc, similaire à l’étape 2.2.
  3. Le pointeur laser s’allume et faire briller le faisceau laser sur la double fente. Observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Éteindre la salle lumière pour améliorer la visibilité du modèle.

Interférence et diffraction sont des phénomènes caractéristiques de toutes les vagues, des vagues de l’eau aux ondes électromagnétiques tels que la lumière.

Interférence désigne le phénomène où deux vagues du même genre chevauchement pour produire une onde résultante supérieure, inférieure, ou la même amplitude.

Diffraction est définie comme la flexion d’une onde de tous les coins d’un obstacle ou une ouverture. Dans ce cas, des pièces de différentiel de l’onde peuvent interférer et donnent lieu à une alternance spatiale de grande et petite amplitude.

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

Une vague est une oscillation de l’amplitude d’une quantité physique dans l’espace et/ou de temps. Interférence est un des phénomènes plus caractéristiques associées aux vagues.

Différentes parties d’ondes peuvent se chevauchent et « intervenir » pour produire une alternance spatiale des amplitudes de l’onde de forte et faible, appelé une figure d’interférence. Lorsque les amplitudes des ondes interférentes s’additionnent, il est appelé interférence constructive ; considérant que, lorsque leurs amplitudes soustraire les uns des autres, il est appelé interférence destructive.

Maintenant, si la lumière de longueur d’onde lambda, est brillait sur une seule fente étroite, l’intensité loin des remplaçants de fente entre grands et petits ou valeurs presque nulles, correspondant à des régions « brillantes » et « sombres », également connu sous le nom de « marge ». Le centre de ce modèle est toujours lumineux, le long de l’axe des y de la fente.

Cette alternance est connue comme le « schéma de diffraction » de la lumière à travers une petite ouverture. C’est un phénomène caractéristique des ondes. Plus précisément, des points entre les deux bords de l’ouverture « ré-émettent », ou en d’autres termes « diffracter » l’onde lumineuse vers des directions différentes.

Interférences entre les différentes parties des résultats dans la formation de la structure par diffraction des ondes lumineuses diffractée.

Dans le cas de deux fentes très rapprochées, le modèle formé, connu comme le « modèle de double-fendez l’interférence de Young », est due à l’interférence de la lumière diffractée de deux fentes. Le protocole suivant montre comment configurer les expériences fente simple et double fente et interpréter leurs résultats.

Rassembler les matériaux nécessaires et les instruments pour l’expérience, y compris un pointeur de laser hélium-néon avec longueur d’onde ~ 633nm, quelques fines lames de rasoir, aluminium, carton, une règle, des ciseaux, un bloc de bois et sécurité laser lunettes.

Avec une paire de ciseaux, couper le papier d’aluminium en deux morceaux carrés environ 2 pouces par 2 pouces. En outre, couper le carton en deux morceaux de carré d’environ 3 pouces par 3 pouces avec un trou d’environ 1 pouce diamètre au centre.

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

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

Placez le pointeur laser de l’autre côté du carton monté, tout en veillant à ce que le faisceau laser sera parallèle à la table. Maintenant porter les lunettes de sécurité laser, pointeur laser s’allume et briller le faisceau laser sur la fente.

Éteindre la lumière de la salle et d’observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Désactiver le pointeur laser et enlever les lunettes de protection laser.

Ensuite, empiler trois lames de rasoir, telle que la lame intermédiaire est en retrait. Prenez l’autre feuille d’aluminium et en utilisant la pile de lames de rasoir et une règle coupe deux fentes parallèles, rectilignes très rapprochées, environ 1 centimètre de long au milieu de la feuille. Maintenant la feuille sur l’autre carton de bandes et coller ensuite sur le bloc en bois comme avant.

Porter les lunettes de sécurité laser, pointeur laser s’allume et briller le faisceau laser sur la double fente. Éteindre la lumière de la salle et d’observer la répartition de la lumière sur le mur de l’autre côté de la feuille. Enfin, éteindre le pointeur laser.

Avec le protocole terminé, laissez-nous maintenant dresser un bilan de la fente unique et les expériences de double fente. Dans le single slit experiment, la répartition de la lumière observée sur le mur présente des franges de diffraction caractéristiques. La frange lumineuse centrale est environ deux fois aussi large, sur l’axe y, comme les autres franges lumineuses qui sont tout autour de la même largeur.

En outre, l’intensité de la désintégration de franges lumineuses du centre de la frange périphérique le long de l’axe des ordonnées. C’est prévu pour le patron de diffraction de fente unique, comme les rayons lumineux parallèles du laser se plient à la fente et se chevauchent de manière constructive, formant les franges lumineuses et destructive formant les bandes sombres entre les deux.

Dans l’expérience de la double fente, la répartition de la lumière observée sur le mur expose les franges d’interférence caractéristique.

Ces franges d’interférences sont beaucoup plus étroites que les régions brillantes du patron de diffraction. C’est parce que la séparation inter-fente avait ' est beaucoup plus grande que la largeur de la fente « a » et c’est l’inverse de la séparation inter-fente 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 les interférences de la lumière a 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.

Spectroscopie de diffraction au laser, est une technologie qui utilise des patrons de diffraction d’un faisceau laser, transmis par le biais de n’importe quel objet--allant de nanomètres à millimètres dans la taille--pour mesurer rapidement les dimensions géométriques d’une particule.

Un capteur est utilisé pour détecter la pêche à la ligne de la lumière laser et un ordinateur est ensuite utilisé pour détecter des particules de taille de l’objet de l’énergie lumineuse produite et son agencement.

L’interférométrie est une technique qui utilise la superposition et l’interférence des ondes pour la mesure précise des distances, petits déplacements, changements de l’indice de réfraction et irrégularités de surface.

Ici, deux vagues de la même fréquence, mais la longueur de chemin d’accès différent s’immiscer, qui se traduit par une figure d’interférence. Ce modèle permet alors de faire une mesure précise du paramètre inconnu. Cette même technique de l’interférométrie est utilisée dans la LIGO ou Laser Interferometer Gravitational Wave Observatoire, qui sont énormes détecteurs conçus pour détecter les ondes gravitationnelles.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE de diffraction et d’interférence de la lumière. Vous devriez maintenant être en mesure de comprendre la théorie derrière la formation de la diffraction et les interférences des motifs lumineux, qui a été démontrée en utilisant les expériences fente simple et double fente. Merci de regarder !

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