INTERFÉRENCES ET DIFFRACTION Interférences et

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INTERFÉRENCES ET DIFFRACTION
Interférences et diffraction sont la marque du caractère ondulatoire de la lumière. Ces phénomènes sont
étudiés dans nos programmes de Terminale S mais le temps imparti ne permet guère de développer ce vaste
sujet. On essaiera d’illustrer les points suivants cités dans le programme, en prenant appui sur les ressources
documentaires et logicielles offertes par le WEB :
 une compréhension de ces phénomènes ondulatoires qui s’appuie sur les analogies offertes par les ondes
mécaniques de gravité ou de capillarité (vagues à la surface de l’eau) et une analyse historique d’expériences
« clés » ;
 la réalisation de figures d’interférences et de diffraction de la lumière avec lecture d’intensité des images
obtenues ;
 une étude documentaire sur les interférences en lumière blanche par des lames minces, par exemple.
1. QUELQUES PRÉREQUIS, OU « CE QUE L’ON DOIT DIRE » À NOS ÉLÈVES DE TERMINALE S
 L’optique géométrique postule que la lumière se propage sous forme de faisceaux qui, à la limite, peuvent
être réduits en rayons. Cependant, de nombreuses expériences montrent que la lumière ne se propage plus en
ligne droite, notamment au passage d’un diaphragme de petite dimension : on dit qu’il y a diffraction.
 Qui n’a pas été émerveillé par les couleurs irisées des ailes d’une libellule ou des plumes d’un oiseau ?
Isaac NEWTON fut le premier physicien à décrire les couleurs des lames minces comme celles observées sur
les bulles d’eau savonneuse. Elles sont dues à des phénomènes d’interférences, ce que NEWTON ignorait.
 Il revient à Christian HUYGENS d’avoir supposé que ces deux phénomènes sont une manifestation du
caractère ondulatoire de la lumière. Les preuves expérimentales furent données plus tard par Thomas
YOUNG pour les interférences lumineuses, François ARAGO, et Augustin FRESNEL pour la diffraction de la
lumière ; FRESNEL élaborera dès 1815 la première théorie ondulatoire de la lumière.
2. DIFFRACTION ET INTERFÉRENCES DES ONDES MÉCANIQUES : ANALOGIE DE HUYGENS
2.1. Diffraction par une ouverture de largeur a
HUYGENS a été le premier à constater que lorsqu’une onde
mécanique progressive périodique plane (telles les ondes
de gravité à la surface d’un liquide) franchit une ouverture
ou contourne un obstacle de largeur a  , elle tend à
devenir circulaire : la direction de propagation n’est plus
unique.
On dit que L’onde a été diffractée au passage de
l’ouverture ou de l’obstacle.
Voilà une expérience qu’il est facile de réaliser dans tous les lycées.
Le WEB propose beaucoup de séquences filmées de ces expériences classiques.
La nature fait bien les choses également et quoi de plus beau que de constater l’existence de la diffraction de
la houle par un obstacle ou une ouverture situés près des côtes ?
Là encore, le WEB par « GOOGLE EARTH » ou « GEOPORTAIL » permet d’extraire de belles images de ces
phénomènes de diffraction.
Prenons quelques exemples tirés de nos promenades sur INTERNET.
Fig. 1 : ondes de capillarité diffractées à la
surface d’une cuve à ondes

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 Diffraction à la surface d’une cuve (ondes mécaniques de capillarité)
Si l’on doit en choisir une expérience filmée, prenons celle qui est proposée par l’Université de Nantes.
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/jacques_charrier/tp/interferences/exp_decouv3.html
 Diffraction de la houle (ondes mécaniques de gravité)
Consultons GEOPORTAIL http://www.geoportail.gouv.fr/accueil
Fig. 2 : animations sur cuve à ondes proposées par l’Université de Nantes
Fig. 3 : la baie de Socoa – Saint Jean de Luz vue depuis GEOPORTAIL pour deux prises de vue différentes

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2.2. Interférences et principe de superposition des ondes
On observe des franges d’interférences, qui sont des lieux de points où :
 le déplacement de la surface de l’eau est maximal ;
 le déplacement de la surface de l’eau est nul (franges en gris).
Pour Huygens, ces franges d’interférences résultent du principe de superposition des ondes issues de deux
sources identiques dites « cohérentes ».
 En un point M de l’espace, il y aura des interférences constructives si les ondes ont parcouru des distances
d 1 et d 2 telles que d 2  d 1 = k  où k est un entier relatif. (On pose souvent
d où même
= d 2  d 1).
Les ondes sont alors en phase
 En un point M de l’espace, il y aura des interférences destructives si les ondes ont parcouru des distances
d 1 et d 2 telles que = d 2  d 1 = (k + 1
2 ) 
. Les ondes sont alors en opposition de phase.
Là encore, beaucoup de documents sont disponibles sur INTERNET.
Retenons encore le travail très complet présenté en ligne par l’Université de Nantes
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/jacques_charrier/tp/interferences/exp_decouv4.html
Une animation flash, due à G. TULLOUE complète avec bonheur cette étude expérimentale :
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/cuve_ondes/interference_ondes_circulaires.html
Fig. 5 : interférences à la surface d’un liquide ; animation flash proposée par G. TULLOUE
d2
d1
d2’
d1’
M’
a
M
Fig. 4 : interférences à la surface d’un liquide et principe de superposition

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3. DIFFRACTION ET INTERFÉRENCES DES ONDES LUMINEUSES : ASPECT HISTORIQUE
Le travail présenté par FRESNEL à l’académie des sciences à propos de la diffraction a été une étape
décisive dans la mise en place d’une théorie ondulatoire de la lumière.
Il est difficile, même en Terminale S, de faire l’économie de ces moments forts de l’histoire des sciences qui
ont vu la communication des travaux de FRESNEL et d’YOUNG.
Les textes originaux sont disponibles dans
la bibliothèque numérique GALLICA :
http://gallica.bnf.fr/
ou celle plus spécialisée BIBNUM :
http://www.bibnum.education.fr/qui-sommes-nous
Ainsi, le lien ci-contre permet de lire une
brillante objection de FRESNEL contre
l’interprétation newtonienne des ondes
lumineuses.
Dans cet exposé magistral, FRESNEL
affirme avec force combien les
phénomènes d’interférences et de
diffraction (nommés tels quels par
FRESNEL) sont la marque du caractère
ondulatoire de la lumière.
Cependant, il est quand même utile
d’obtenir des commentaires
contemporains de l’œuvre de FRESNEL
accompagnés des notes du physicien lui-
même pour une meilleure compréhension
du propos.
Ainsi, ce travail d’exégèse pour un lecteur moderne a été notamment réalisé avec les ressources numériques
mises à disposition par le ministère de l’Éducation par M. Jean-Louis BASDEVANT, de l’École
polytechnique :
http://www.bibnum.education.fr/files/fresnel-analyse-36.pdf
Citons encore un site consacré à l’œuvre de FRESNEL qui expose avec clarté la polémique qu’il avait engagé
avec Siméon Denis POISSON à propos du phénomène de diffraction par une bille (ou un trou circulaire).
http://melusine.eu.org/syracuse/mluque/fresnel/augustin/fresnel.html
Quant à Thomas YOUNG, il n’est pas oublié ; on peut notamment consulter sa remarquable contribution à
l’interprétation du phénomène d’interférences en lumière blanche par des couches minces.
http://www.bibnum.education.fr/physique/optique/sur-la-theorie-de-la-lumiere-et-des-couleurs
Bref, face à tant de matériaux historiques, au professeur de rassembler de façon pertinente ces informations !
Fig. 6 : exposé de FRESNEL sur sa théorie ondulatoire de la lumière
http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k91937w/f173.image.r=Fresnel.langFR
Fig. 7 : exposé d’YOUNG sur sa théorie ondulatoire de la lumière
http://www.bibnum.education.fr/physique/optique/sur-la-theorie-de-la-lumiere-et-des-couleurs

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4. EXEMPLES DE DOCUMENTS ÉLABORÉS À PARTIR DES RESSOURCES NUMÉRIQUES CITÉES CI-DESSUS
4.1. FRESNEL et la diffraction de la lumière
En France, au début du XIXe siècle, le modèle de la lumière
qui domine chez les physiciens est newtonien.
Pour LAPLACE, BIOT, POISSON, mais aussi AMPÈRE et ARAGO, la
lumière est constituée de particules se propageant en ligne droite.
Ainsi l’ombre projetée par un objet éclairé doit avoir des bords bien
nets. Ce n’est généralement pas le cas car les sources de lumière sont
étendues et les bords présentent donc un dégradé, une pénombre.
Mais pour une source lumineuse ponctuelle, les bords de l’ombre
doivent être nets. Malheureusement, lorsqu’on illumine un petit objet
avec une source ponctuelle, on observe autour de son ombre des
franges sombres et claires ! Les newtoniens expliquent ce phénomène
par une interaction des particules de lumière et la matière du bord de
l’objet éclairé.
Le jeune Augustin FRESNEL montre expérimentalement que cette
interprétation n’est pas valide. Il interprète les franges observées
comme des interférences entre des ondes (similaires à celles déjà
connues pour le son ou encore les ronds dans l’eau). Il développe
alors une théorie ondulatoire de la lumière, inspirée des idées de HUYGENS. Ses travaux convainquent
AMPÈRE mais pas LAPLACE et ses condisciples ! En 1818, FRESNEL défend une thèse sur le sujet pour
obtenir le prix de l’Académie. POISSON, newtonien convaincu, trouve une objection imparable : en effet, en
appliquant la théorie de FRESNEL, les calculs montrent qu’un point lumineux doit apparaître au milieu de
l’ombre d’un disque convenablement éclairé, ce qui manifestement est absurde, inimaginable pour les
laplaciens ! L’académicien François ARAGO décide alors de mener l’expérience. Et tous virent l’impossible
se produire ! FRESNEL obtint le prix à l'unanimité et cette tache lumineuse impossible prit le nom de tache de
POISSON.
Et voici ce qu’écrivit plus tard à ce sujet FRESNEL dans son traité d’optique :
“Une des objections les plus spécieuses que NEWTON ait faite contre le système des vibrations lumineuses
est sans doute celle où il compare la marche du son avec celle de la lumière qui, selon lui, ne se répand
jamais dans les ombres, tandis que le son se fait entendre derrière les obstacles placés entre le corps sonore
et celui qui écoute. Mais d’abord il est inexact de dire que la lumière ne s’infléchit point dans les ombres et
il est surprenant que NEWTON n’en parle pas dans le dernier livre qu’il a consacré aux phénomènes de
diffraction. La lumière infléchie dans l’ombre devient encore plus sensible quand le corps opaque éclairé qui
sert d’obstacle est un petit disque circulaire : on aperçoit alors au centre de l’ombre un point lumineux
entouré de petits anneaux alternativement brillants et obscurs, toutes les fois que le point éclairant est assez
éloigné et qu’on reçoit l’ombre à une distance suffisante de l’obstacle. La partie éclairée dans le centre de
l’ombre est d’autant plus étroite que le diamètre du disque qui sert d’obstacle est plus grand relativement à
la distance où l’on reçoit l’ombre. […]. Les phénomènes de la diffraction, qui ne sont au fond que
ceux des ombres portées dans le cas le plus simple, celui où
l’objet éclairant est réduit à un point lumineux, ces
phénomènes, loin d’être contraires au système des vibrations,
sont peut-être ceux qui présentent les confirmations les plus
frappantes. C’est avec le secours de cette théorie que je suis
parvenu à en découvrir les lois rigoureuses et générales, et à
les représenter par une formule dans laquelle il n’entre
qu’une seule constante arbitraire qu’il faille déterminer par
l’observation, la longueur d’ondulation. Si l’on fait attention
à la variété extrême des effets de la diffraction, on sentira
que, pour qu’une même formule, dans laquelle il n’entre
qu’une seule constante arbitraire tirée d’une autre classe de
faits, puisse représenter tous les phénomènes de la diffraction jusque dans leurs aspects les plus bizarres et
en apparence les plus irréguliers, il faut nécessairement qu’elle soit l’expression véritable de la loi des
phénomènes”.
Figure de diffraction observée autour et
dans l’ombre d’une bille en acier de 3 mm
de diamètre éclairée par un faisceau laser.
Diffraction par un fil : au centre, on observe une
tache brillante !