La diffraction de la lumière est le nom donné à la distorsion d'un faisceau lumineux lorsqu'il heurte un petit objet ou une petite ouverture dans un écran. C'est l'Italien Francesco Maria Grimaldi qui a donné le nom de 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 du dixième de millimètre ou moins, l'ombre projetée n'est pas précise. Au contraire, il se diffuse autour de ce qui devrait être son ombre géométrique. En effet, le faisceau lumineux est dévié et se propage sur les bords de l'obstacle..
La figure ci-dessus montre un modèle très particulier d'alternance de zones claires et sombres. Produit par la lumière d'un pointeur laser (longueur d'onde 650 nm) passant à travers une fente carrée de 0,1 mm x 0,1 mm et projetée sur un écran.
Ce phénomène de formation de motifs s'observe également 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 qu'il s'agit d'un phénomène éminemment ondulatoire..
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Dans un faisceau de lumière monochromatique (contenant une seule longueur d'onde) tel que la lumière laser, la diffraction du faisceau lumineux incident sur l'obstacle forme un motif de bandes claires et sombres lorsqu'il est projeté sur un écran.
Cet arrangement de zones claires et sombres s'appelle diagramme de diffraction.
La diffraction est expliquée de manière classique, selon Principe de Fresnel-Huygens.
Il provient de la superposition des ondes sphériques émanant du bord de l'obstacle et des autres points du front d'onde qui jouxte les bords, de telle sorte qu'une interférence se produit entre les ondes de cet ensemble de sources secondaires.
Lorsque deux ou plusieurs ondes coïncident au même endroit dans l'espace, des interférences se produisent entre elles. Il peut alors arriver que leurs amplitudes respectives soient ajoutées ou soustraites, après quoi chacun suit son propre chemin..
Tout dépend si les ondes coïncident en phase. Si c'est le cas, les amplitudes s'additionnent, tandis que dans les endroits où les ondes sont déphasées ou en contre-phase, l'amplitude diminue ou s'annule..
C'est pourquoi le diagramme de diffraction comporte des zones claires et sombres..
Contrairement au phénomène d'interférence lumineuse, dans lequel le nombre de sources d'ondes est de deux ou trois, dans le cas de la diffraction le nombre de sources secondaires d'ondes sphériques est très important et tend à former un continuum de sources..
L'interférence des ondes en diffraction est plus perceptible si la source a une seule longueur d'onde et que tous les photons qui composent le faisceau lumineux sont en phase, comme c'est le cas avec la lumière d'un laser..
La interférométrie speckle est l'une des applications pratiques du phénomène de diffraction de la lumière.
Lorsqu'une surface est éclairée par une lumière laser, les fronts d'onde de la lumière réfléchie par la surface sont en phase, mais deviennent déphasés après avoir parcouru le chemin vers la plaque ou l'écran sur lequel l'image est enregistrée..
Là, un motif de diffraction moucheté est produit (tache en anglais), qui donne des informations sur la surface d'où proviennent les photons réfléchis.
De cette manière, des défauts ou des fractures peuvent être détectés dans une pièce, qui serait à peine visible à l'œil nu..
La connaissance des diagrammes de diffraction présents dans les images photographiques ou numériques d'objets astronomiques: étoiles ou 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 faible définition ou de faible luminosité..
Ensuite, lorsqu'ils sont traités par ordinateur et en extrayant le bruit de la diffraction, ils se traduisent par une image de résolution plus élevée.
C'est ainsi qu'il est possible de montrer des détails qui étaient auparavant masqués dans les originaux, précisément en raison de la diffraction de la lumière..
La diffraction est un phénomène que nous observons presque tous sûrement, mais nous n'identifions pas toujours correctement son origine. Voici quelques exemples:
L'arc-en-ciel est principalement causé par la superposition des ondes réfractées et réfléchies à l'intérieur des fines gouttelettes d'eau.
Ils constituent un très grand ensemble de sources de lumière secondaires, dont les ondes interfèrent, formant le motif arc-en-ciel coloré que nous admirons tant après la pluie..
La lumière qui rebondit sur un CD ou un DVD forme également des motifs colorés frappants. Ils ont leur origine dans le phénomène de diffraction de la lumière réfléchie par les rainures submillimétriques qui composent les pistes.
L'hologramme qui apparaît souvent sur les cartes de crédit et les produits de marque forme une image en trois dimensions.
Elle est due à la superposition des ondes provenant des innombrables points réfléchissants imprimés. Ces points ne sont pas distribués au hasard, mais ont été formés par le motif de diffraction de l'objet original, qui a été éclairé avec une lumière laser et plus tard gravé sur une plaque photographique..
Parfois, vous pouvez voir des halos ou des anneaux autour du soleil ou de la lune.
Ils se forment grâce au fait que la lumière provenant de ces corps célestes rebondit ou se reflète dans une quantité innombrable de particules ou de cristaux formés dans la haute atmosphère..
Ils agissent à leur tour comme des sources secondaires et leur superposition donne naissance au diagramme de diffraction qui forme le halo céleste..
L'irisation de certaines surfaces comme les bulles de savon ou les ailes translucides de certains insectes s'explique par la diffraction de la lumière. Sur ces surfaces, les tons et les couleurs de la lumière observés varient en fonction de l'angle d'observation..
Les photons réfléchis dans les fines couches semi-transparentes constituent un grand ensemble de sources lumineuses qui interfèrent de manière constructive ou destructive.
Ainsi, ils forment les motifs correspondant aux différentes longueurs d'onde ou couleurs, dont se compose la lumière de la source d'origine..
Ainsi, seules les longueurs d'onde issues de certaines trajectoires sont observées: celles qui vont des points réfléchis à l'œil de l'observateur et qui ont une différence de longueur d'onde entière..
Les longueurs d'onde qui ne satisfont pas à cette exigence sont annulées et ne peuvent pas être observées.
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