Les motifs d'interférence sont des bandes claires ou sombres causées par des faisceaux en phase ou déphasés les uns par rapport aux autres. Lorsqu'elles sont superposées, les ondes lumineuses et similaires s'additionnent si leurs phases coïncident (à la fois dans le sens de l'augmentation et de la diminution), ou elles se compensent si elles sont en opposition de phase. Ces phénomènes sont respectivement appelés interférences constructives et destructives. Si un faisceau de rayonnement monochromatique, qui ont tous la même longueur d'onde, passe à travers deux fentes étroites (l'expérience a été réalisée pour la première fois en 1801 par Thomas Young, un scientifique anglais qui, grâce à lui, est parvenu à la conclusion sur la nature des ondes de lumière), les deux faisceaux résultants peuvent être dirigés sur un écran plat, sur lequel, au lieu de deux points qui se chevauchent, des franges d'interférence se forment - un motif de zones claires et sombres alternant uniformément. Ce phénomène est utilisé, par exemple, dans tous les interféromètres optiques.
Superposition
La caractéristique déterminante de toutes les ondes est la superposition, qui décrit le comportement des ondes superposées. Son principe est que dans l'espaceSi plus de deux ondes sont superposées, alors la perturbation résultante est égale à la somme algébrique des perturbations individuelles. Parfois, cette règle est violée pour de grandes perturbations. Ce comportement simple conduit à une série d'effets appelés phénomènes d'interférence.
Le phénomène d'interférence se caractérise par deux cas extrêmes. Dans les maxima constructifs des deux ondes coïncident, et elles sont en phase l'une avec l'autre. Le résultat de leur superposition est une augmentation de l'effet perturbateur. L'amplitude de l'onde mixte résultante est égale à la somme des amplitudes individuelles. Et, inversement, dans les interférences destructives, le maximum d'une onde coïncide avec le minimum de la seconde - elles sont en opposition de phase. L'amplitude de l'onde combinée est égale à la différence entre les amplitudes de ses composants. Dans le cas où ils sont égaux, l'interférence destructive est totale, et la perturbation totale du milieu est nulle.
L'expérience de Jung
Le modèle d'interférence de deux sources indique clairement la présence d'ondes qui se chevauchent. Thomas Jung a suggéré que la lumière est une onde qui obéit au principe de superposition. Sa célèbre réalisation expérimentale fut la démonstration de l'interférence constructive et destructive de la lumière en 1801. La version moderne de l'expérience de Young ne diffère essentiellement que par le fait qu'elle utilise des sources lumineuses cohérentes. Le laser éclaire uniformément deux fentes parallèles dans une surface opaque. La lumière qui les traverse est observée sur un écran distant. Lorsque la largeur entre les fentes est bien supérieure àlongueur d'onde, les règles de l'optique géométrique sont respectées - deux zones éclairées sont visibles sur l'écran. Cependant, lorsque les fentes se rapprochent, la lumière se diffracte et les ondes sur l'écran se chevauchent. La diffraction elle-même est une conséquence de la nature ondulatoire de la lumière et est un autre exemple de cet effet.
Motif d'interférence
Le principe de superposition détermine la distribution d'intensité résultante sur l'écran éclairé. Un motif d'interférence se produit lorsque la différence de marche entre la fente et l'écran est égale à un nombre entier de longueurs d'onde (0, λ, 2λ, …). Cette différence garantit que les aigus arrivent en même temps. Une interférence destructive se produit lorsque la différence de marche est un nombre entier de longueurs d'onde décalées de moitié (λ/2, 3λ/2, …). Jung a utilisé des arguments géométriques pour montrer que la superposition se traduit par une série de franges régulièrement espacées ou de taches de haute intensité correspondant à des zones d'interférence constructive séparées par des taches sombres d'interférence destructrice totale.
Distance entre les trous
Un paramètre important de la géométrie à double fente est le rapport de la longueur d'onde lumineuse λ à la distance entre les trous d. Si λ/d est très inférieur à 1, alors la distance entre les franges sera faible et aucun effet de recouvrement ne sera observé. En utilisant des fentes rapprochées, Jung a pu séparer les zones sombres et claires. Ainsi, il a déterminé les longueurs d'onde des couleurs de la lumière visible. Leur ampleur extrêmement faible explique pourquoi ces effets ne sont observés quesous certaines conditions. Pour séparer les zones d'interférences constructives et destructives, les distances entre les sources d'ondes lumineuses doivent être très petites.
Longueur d'onde
Observer les effets d'interférence est difficile pour deux autres raisons. La plupart des sources lumineuses émettent un spectre continu de longueurs d'onde, ce qui entraîne de multiples motifs d'interférence superposés les uns aux autres, chacun avec son propre espacement entre les franges. Cela annule les effets les plus prononcés, comme les zones d'obscurité totale.
Cohérence
Pour que les interférences soient observées sur une longue période de temps, des sources lumineuses cohérentes doivent être utilisées. Cela signifie que les sources de rayonnement doivent maintenir une relation de phase constante. Par exemple, deux ondes harmoniques de même fréquence ont toujours une relation de phase fixe à chaque point de l'espace - soit en phase, soit en antiphase, soit dans un état intermédiaire. Cependant, la plupart des sources lumineuses n'émettent pas de véritables ondes harmoniques. Au lieu de cela, ils émettent de la lumière dans laquelle des changements de phase aléatoires se produisent des millions de fois par seconde. Un tel rayonnement est appelé incohérent.
La source idéale est un laser
L'interférence est toujours observée lorsque les ondes de deux sources incohérentes sont superposées dans l'espace, mais les modèles d'interférence changent de manière aléatoire, avec un déphasage aléatoire. Les capteurs de lumière, y compris les yeux, ne peuvent pas s'enregistrer rapidementimage changeante, mais seulement l'intensité moyenne dans le temps. Le faisceau laser est presque monochromatique (c'est-à-dire constitué d'une longueur d'onde) et hautement cohérent. C'est une source de lumière idéale pour observer les effets d'interférence.
Détection de fréquence
Après 1802, les longueurs d'onde de la lumière visible mesurées par Jung pourraient être liées à la vitesse de la lumière insuffisamment précise disponible à l'époque pour approximer sa fréquence. Par exemple, pour le feu vert, il s'agit d'environ 6×1014 Hz. C'est plusieurs ordres de grandeur supérieur à la fréquence des vibrations mécaniques. En comparaison, un humain peut entendre un son avec des fréquences allant jusqu'à 2×104 Hz. Ce qui a exactement fluctué à un tel rythme est resté un mystère pendant les 60 années suivantes.
Interférence dans les couches minces
Les effets observés ne se limitent pas à la géométrie à double fente utilisée par Thomas Young. Lorsque les rayons sont réfléchis et réfractés par deux surfaces séparées par une distance comparable à la longueur d'onde, des interférences se produisent dans les couches minces. Le rôle du film entre les surfaces peut être joué par le vide, l'air, tout liquide ou solide transparent. En lumière visible, les effets parasites sont limités à des dimensions de l'ordre de quelques micromètres. Un exemple bien connu de film est une bulle de savon. La lumière réfléchie par celle-ci est une superposition de deux ondes - l'une est réfléchie par la surface avant et la seconde - par l'arrière. Ils se chevauchent dans l'espace et s'empilent les uns avec les autres. Selon l'épaisseur du savonfilms, deux ondes peuvent interagir de manière constructive ou destructive. Un calcul complet du diagramme d'interférence montre que pour une lumière d'une longueur d'onde λ, on observe une interférence constructive pour une épaisseur de film de λ/4, 3λ/4, 5λ/4, etc., et une interférence destructive pour λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formules de calcul
Le phénomène d'interférence a de nombreuses utilisations, il est donc important de comprendre les équations de base impliquées. Les formules suivantes vous permettent de calculer diverses grandeurs associées aux interférences pour les deux cas d'interférence les plus courants.
L'emplacement des franges brillantes dans l'expérience de Young, c'est-à-dire les zones d'interférence constructive, peut être calculé à l'aide de l'expression: ybright.=(λL/d)m, où λ est la longueur d'onde; m=1, 2, 3, …; d est la distance entre les fentes; L est la distance à la cible.
L'emplacement des bandes sombres, c'est-à-dire les zones d'interaction destructrice, est déterminé par la formule: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Pour un autre type d'interférence - dans les films minces - la présence d'une superposition constructive ou destructive détermine le déphasage des ondes réfléchies, qui dépend de l'épaisseur du film et de son indice de réfraction. La première équation décrit le cas de l'absence d'un tel décalage, et la seconde décrit un décalage d'une demi-longueur d'onde:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Ici λ est la longueur d'onde; m=1, 2, 3, …; t est le chemin parcouru dans le film; n est l'indice de réfraction.
Observation dans la nature
Lorsque le soleil brille sur une bulle de savon, des bandes de couleurs vives peuvent être vues car différentes longueurs d'onde sont soumises à des interférences destructrices et sont retirées de la réflexion. La lumière réfléchie restante apparaît comme complémentaire des couleurs distantes. Par exemple, s'il n'y a pas de composante rouge à la suite d'interférences destructives, la réflexion sera bleue. De minces films d'huile sur l'eau produisent un effet similaire. Dans la nature, les plumes de certains oiseaux, y compris les paons et les colibris, et les coquilles de certains coléoptères semblent irisées, mais changent de couleur lorsque l'angle de vue change. La physique de l'optique ici est l'interférence des ondes lumineuses réfléchies par des structures en couches minces ou des réseaux de tiges réfléchissantes. De même, les perles et les coquillages ont un iris, grâce à la superposition des reflets de plusieurs couches de nacre. Les pierres précieuses telles que l'opale présentent de beaux motifs d'interférence dus à la diffusion de la lumière à partir de motifs réguliers formés par des particules sphériques microscopiques.
Demande
Il existe de nombreuses applications technologiques des phénomènes d'interférence lumineuse dans la vie quotidienne. La physique de l'optique des caméras est basée sur eux. Le revêtement antireflet habituel des lentilles est un film mince. Son épaisseur et sa réfraction sont choisies pour produire une interférence destructive de la lumière visible réfléchie. Des revêtements plus spécialisés composés deplusieurs couches de films minces sont conçues pour transmettre le rayonnement uniquement dans une plage de longueurs d'onde étroite et, par conséquent, sont utilisées comme filtres de lumière. Les revêtements multicouches sont également utilisés pour augmenter la réflectivité des miroirs des télescopes astronomiques, ainsi que des cavités optiques laser. L'interférométrie - méthodes de mesure précises utilisées pour détecter de petits changements dans les distances relatives - est basée sur l'observation des changements dans les bandes sombres et claires créées par la lumière réfléchie. Par exemple, mesurer l'évolution du motif d'interférence vous permet de déterminer la courbure des surfaces des composants optiques en fractions de la longueur d'onde optique.
