Expériences simples d'interférences et de diffraction

Expériences simples d'interférences et de diffraction
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Introduction

Cette page liste quelques expériences faisables avec très peu de matériel, ou des observations dans la vie de tous les jours, qui illustrent les phénomènes d'interférences et de diffraction de la lumière. D'autres expériences plus détaillées sont à venir...

Pour une introduction sur les interférences et la diffraction, vois cette page.


Expériences

Irisations d'un film de savon

Les films de savon sont irisés et montrent des couleurs vives et changeantes:

Franges d'interférences sur un film de savon
Franges d'interférences sur un film de savon

Lorsqu'un rayon de lumière traverse un film de savon, il rencontre deux interfaces: air-liquide à l'entrée dans le film, et liquide-air en sortant du film. Or, les interfaces sont partiellement réfléchissantes: on peut par exemple voir des reflets du monde dans une flaque d'eau. Le faisceau incident se réfléchit donc en deux faisceaux parallèles. Ces deux faisceaux interfèrent, c'est-à-dire que leur somme ne donne pas toujours de la lumière (explications ici). La condition déterminant si la somme donne de la lumière ou non dépend de manière très sensible de l'épaisseur du film. Comme l'épaisseur n'est pas constante sur toute la surface du film et qu'elle varie au cours du temps (par évaporation et écoulement du liquide vers le bas), les irisations peuvent avoir des motifs très fins, et fluctuent rapidement dans le temps. La condition sur la somme dépend aussi de la longueur d'onde (couleur) du faisceau, et les irisations sont donc colorées, même si le film est éclairé par une lumière blanche.

Une couche d'huile ou d'essence sur une flaque d'eau montre parfois des irisations pour la même raison que dans le film de savon.

Essence sur une flaque d'eau
Verser quelques gouttes d'essence sur une flaque d'eau forme un film très fin d'essence et donne également lieu à des irisations. John, Wikipedia, CC BY-SA

Diffraction de la lumière sur un CD

Arc-en-ciel sur un CD
Arc-en-ciel à la surface d'un CD

Les CD, DVD et BluRay arborent des motifs aux couleurs de l'arc-en-ciel. Ces disques ont à leur surface des petits motifs gravés qui ressemblent à du code morse et contiennent l'information du média (musique, film...). Le code est écrit le long d'une spirale qui va de l'intérieur vers l'extérieur du disque (image ci-dessous). La taille des motifs est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière qui est donc diffractée par la surface du disque (voir cette page pour une introduction sur la diffraction). Autrement dit, un disque ne va pas réfléchir la lumière comme un simple miroir. Comme les motifs de diffraction dépendent du rapport de taille entre l'objet diffractant (en particulier l'espacement entre les pistes) et la longueur d'onde de la lumière, éclairer un disque donne lieu à des faisceaux réfléchis à la surface dans des directions qui dépendent des couleurs du faisceau de départ. Lorsque la lumière de départ est blanche, elle contient toutes les couleurs et la réflexion sur le CD sépare ces couleurs en un "arc-en-ciel".

CD vu au microscope
CD vu au microscope optique (grossissement x60). La longueur et l'espacement des petites tâches codent l'information contenue dans le média.

Couronnes

Lorsqu'une vitre ou un miroir embués sont éclairés par la lumière d'une source très ponctuelle comme le filament d'une ampoule à incandescence, des couronnes colorées apparaissent autour du filament. Ces couronnes proviennent de la diffraction de la lumière par les très petites gouttelettes d'eau de la buée.

Couronne sur un miroir embué
Couronne sur un miroir embué

Franges de diffraction à travers une fente

Cette expérience est facilement réalisable avec deux stylos à corps opaque. Maintiens les deux stylos côte à côte pour former une fente très fine par laquelle peut passer la lumière. La fente est indiquée par la flèche sur cette photo:

Deux stylos

Place la fente à quelques centimètres de tes yeux pour qu'elle apparaisse très grande et observe des objets lointains à travers celle-ci. Si tu regardes une lampe, tu devrais pouvoir voir des franges colorées due à la diffraction de la lumière à travers la fente:

Franges d'interférences à travers une fente
Franges d'interférences à travers une fente

En appuyant les stylos l'un contre l'autre ou en les relâchant légèrement, modifie la largeur de la fente. Observe comment l'espacement entre les franges est changé:

Franges de diffraction dépendant de la largeur de la fente
Les franges sont plus espacées lorsque la fente est fine (gauche) que lorsqu'elle est large (droite).

Comme dans le cas du CD, la diffraction n'affecte pas de la même façon les différentes couleurs d'une lumière blanche. Les franges sont donc colorées.


Diffraction à travers un rideau

Certains rideaux très fins laissent passer la lumière. En regardant une lampe lointaine à travers le rideau, un motif de croix colorée apparait.

Diffraction à travers un rideau
Diffraction à travers un rideau Djaille wiki, Wikipedia, CC BY-SA

Cette configuration est presque la même que dans l'expérience avec les deux stylos. Le rideau agit comme une grille aux motifs très rapprochés et fonctionne comme un ensemble de fentes à la fois verticales et horizontales. On voit donc des franges colorées dans les deux direction, ce qui forme une croix.


Speckle d'un faisceau laser

Prends un pointeur laser et projette le faisceau sur un mur en plaçant une loupe devant le laser. Le but de la loupe est simplement d'agrandir la tâche du laser sur le mur. Regarde la tâche. En bougeant légèrement la tête, elle devrait scintiller. La tâche apparait en fait comme plein de petits points lumineux proches de petits points noirs dont la position change en bougeant les yeux. En prenant une photo de la tâche et en l'agrandissant, on voit que les points sont en fait de petites zones sombres ou claires:

Speckle d'un faisceau laser
Speckle d'un faisceau laser

Ce scintillement est appelé speckle et a ici pour origine l'appareil utilisé pour l'observer: ton œil (ou l'appareil photo pour l'image ci-dessus). La pupille de l'œil est un trou laissant passer la lumière. Il la diffracte aussi. Comme la pupille a une taille de quelques millimètres, ce qui est relativement grand devant la longueur d'onde du laser, le motif de diffraction est très fin, en comparaison avec les expériences avec les stylos ou le rideau.

Mais si le speckle vient de l'œil, pourquoi ne le voit-on pas sur tous les objets que l'on regarde? Pour voir de la diffraction sur une grande surface, il vaut mieux que la lumière émise par la surface soit très pure (une seule longueur d'onde), et ordonnée sur toute la surface (on parle de cohérence spatiale). Les lampes courantes et le soleil émettent un spectre de lumière contenant de nombreuses longueurs d'onde. Au contraire, la plupart des lasers sont des sources qui arrivent à amplifier une longueur d'onde en particulier. De plus, les atomes dans un laser émettent la lumière en phase. C'est la cohérence. Une analogie est une chorale dont les chanteurs chantent tous en même temps les mêmes paroles (laser) et une chorale dont les chanteurs ne chantent pas le même texte et ne se synchronisent pas entre eux (lampe à incandescence). Dans les deux cas il en résulte un son (pour les lasers et les lampes: de la lumière), mais l'un sera très ordonné, et l'autre un brouhaha. Les deux propriétés de pureté et de cohérence des lasers font que du speckle est facilement visible avec ceux-ci.


Speckle sur un ongle

Si tu n'as pas de pointeur laser chez toi, tu peux observer un speckle lors d'une journée ensoleillée. Comme la lumière du soleil n'est pas très cohérente spatialement, le speckle est difficile à voir.

  • Place un doigt devant ton œil en l'orientant de manière à ce que l'ongle reflète la lumière du soleil, un peu comme un miroir.

  • Approche ton œil le plus possible du doigt tout en restant focalisé sur l'ongle. Tu verras peut-être que la zone brillante sur l'ongle est en fait constituée d'une multitude de points minuscules et colorés. C'est un motif de speckle.


Diffraction sur une toile d'araignée

Une toile d'araignée éclairée par le soleil montre des motifs colorés complexes. Certains sont dus à la diffraction de la lumière sur les fils de la toile. Une expérience possible est de se placer près d'une toile d'araignée éclairée et de regarder à travers la toile des objets lointains. Dans ces conditions, la toile apparait floue car l'œil ne fait pas le focus sur celle-ci. A certains endroits de la toile, des motifs colorés peuvent apparaitre, comme sur l'image ci-dessous. Ce phénomène, qui a pour origine des lois d'optique connues, n'est cependant toujours pas bien compris.

Interférences sur une toile d'araignée
Interférences sur une toile d'araignée