Optique ondulatoire : interférences et diffraction

Lorsqu'une onde lumineuse rencontre un obstacle ou une fente de petite taille, elle ne se propage plus en ligne droite : elle s'étale dans la zone d'ombre géométrique. Ce phénomène, appelé diffraction, est observable lorsque la dimension a de l'ouverture est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde λ. Sur un écran placé à la distance D, on observe une tache centrale large et brillante, entourée de taches secondaires moins intenses. La largeur L de la tache centrale est donnée par la relation L = 2λD/a. Plus l'ouverture est petite, plus la diffraction est marquée.

Deux ondes lumineuses issues de sources cohérentes et synchrones peuvent se superposer : leurs amplitudes s'additionnent. Si elles arrivent en phase, l'interférence est constructive et la zone est brillante ; si elles arrivent en opposition de phase, l'interférence est destructive et la zone est sombre. Dans l'expérience des fentes de Young, deux fentes fines séparées de b sont éclairées par un même laser. Sur un écran à la distance D, on observe des franges alternativement brillantes et sombres, régulièrement espacées. L'interfrange i, distance entre deux franges brillantes consécutives, vaut i = λD/b.

La longueur d'onde λ détermine la couleur de la lumière : dans le visible, elle varie d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). L'interfrange i et la largeur de la tache de diffraction L dépendent de λ : une lumière rouge produit des franges plus espacées qu'une lumière bleue. Avec une lumière blanche, chaque longueur d'onde donne sa propre figure, ce qui provoque des irisations, comme sur les bulles de savon ou les CD. Pour observer des interférences stables, les sources doivent être cohérentes : même fréquence et déphasage constant. La différence de marche δ = d2 - d1 entre les deux trajets contrôle le type d'interférence.

Les phénomènes d'interférences et de diffraction sont exploités dans de nombreux dispositifs. Les CD et DVD stockent l'information sous forme de micro-pistes qui diffractent la lumière et produisent des irisations. Les réseaux de diffraction, constitués de milliers de fentes parallèles, dispersent la lumière et servent dans les spectromètres pour analyser les sources. L'interférométrie utilise les interférences pour mesurer de très petites distances, des défauts de surface ou des ondes gravitationnelles. En astronomie, la diffraction limite le pouvoir de résolution des télescopes. Ces applications montrent que l'optique ondulatoire est essentielle en métrologie et en analyse spectrale.