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4.1 : Prélude à la diffraction

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    Imaginez que vous faites passer un faisceau de lumière monochromatique à travers une ouverture étroite, une fente légèrement plus large que la longueur d'onde de la lumière. Au lieu d'une simple ombre de la fente sur l'écran, vous verrez apparaître un schéma d'interférence, même s'il n'y a qu'une seule fente.

    La figure montre une série d'anneaux concentriques rouges sur fond noir. Au centre se trouve une tache rouge vif.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Un roulement à billes en acier éclairé par un laser ne projette pas d'ombre circulaire nette. Au lieu de cela, une série de franges de diffraction et un point lumineux central sont observés. Connu sous le nom de point de Poisson, cet effet a été prédit pour la première fois par Augustin-Jean Fresnel (1788—1827) à la suite de la diffraction des ondes lumineuses. S'appuyant sur les principes de l'optique des rayons, Siméon-Denis Poisson (1781—1840) s'est opposé à la prédiction de Fresnel. (source : modification d'un travail par des démonstrations de conférences en sciences naturelles de Harvard)

    Dans le chapitre sur les interférences, nous avons vu qu'il faut deux sources d'ondes pour que des interférences se produisent. Comment peut-il y avoir un schéma d'interférence lorsque nous n'avons qu'une seule fente ? Dans The Nature of Light, nous avons appris que, grâce au principe de Huygens, nous pouvons imaginer qu'un front d'onde équivaut à un nombre infini de sources ponctuelles d'ondes. Ainsi, une onde provenant d'une fente peut se comporter non pas comme une seule vague mais comme un nombre infini de sources ponctuelles. Ces ondes peuvent interférer entre elles, créant ainsi un schéma d'interférence sans la présence d'une seconde fente. Ce phénomène s'appelle la diffraction.

    Une autre façon de voir cela est de reconnaître qu'une fente a une largeur petite mais limitée. Dans le chapitre précédent, nous avons implicitement considéré les fentes comme des objets ayant des positions mais aucune taille. La largeur des fentes a été considérée comme négligeable. Lorsque les fentes ont des largeurs finies, chaque point le long de l'ouverture peut être considéré comme une source ponctuelle de lumière, fondement du principe de Huygens. Comme les instruments optiques du monde réel doivent avoir des ouvertures limitées (sinon, aucune lumière ne peut entrer), la diffraction joue un rôle majeur dans la façon dont nous interprétons la sortie de ces instruments optiques. Par exemple, la diffraction limite notre capacité à résoudre des images ou des objets. C'est un problème que nous étudierons plus loin dans ce chapitre.