Diffusion des ondes

La diffusion est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, le son ou une particule en mouvement, est dévié dans de multiples directions par une interaction avec d'autres objets.


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Optique ondulatoire - Électromagnétisme - Acoustique - Mécanique ondulatoire

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  • Toutes les longueurs d'ondes de la lumière incidente sont diffusées de la même... la diffusion Thomson ne modifie pas la longueur d'onde du rayonnement.... (source : etudes.ecp)
  • Diffusion Rayleigh : l'atome, ... de la longueur d'onde et de l'angle de vue dans ... (source : physique-quantique.wikibis)

La diffusion est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, le son ou une particule en mouvement, est dévié dans de multiples directions (on peut parler d'«éparpillement») par une interaction avec d'autres objets. La polarisation du rayonnement incident est généralement modifiée suite à la diffusion. La diffusion peut être aussi répartie dans l'ensemble des directions (isotrope) ou obéir à un patron de réémission bien particulier selon le milieu traversé (anisotrope). Surtout, la partie de l'onde incidente qui est retournée dans la direction d'où elle a été émise est nommée rétrodiffusion.

La diffusion peut avoir lieu à la rencontre d'une interface entre deux milieux (dioptre), ou à la traversée d'un milieu (cas de la décomposition de la lumière par un prisme ou effet de l'arc-en-ciel).

Diffusion élastique et inélatisque

On parle de diffusion élastique quand il n'y a pas (ou particulièrement peu) de changement d'énergie entre la radiation avant et après diffusion. La diffusion inélastique a par conséquent lieu s'il y a changement de la longueur d'onde entre le faisceau incident et le faisceau émis.

Différents types de diffusion

Généralement, les effets de diffusion sont extrêmement rapides, et ont lieu pour de larges bandes spectrales. La fluorescence n'est par conséquent pas apparentée à la diffusion dans la mesure où il s'agit d'un phénomène inélastique qui intervient pour une longueur d'onde particulièrement précise (effet de résonance) et dont le temps caractéristique est bien plus long (typiquement de l'ordre de la microseconde).

Ondes électromagnétiques - particules élémentaires

Ondes électromagnétiques - matière

Le cas le plus fréquemment rencontré et le plus étudié est celui de la diffusion des ondes électromagnétiques. La diffusion de la lumière ou encore d'ondes radio (fonctionnement du radar) sont des exemples courants de ce principe.

Le phénomène de diffusion peut aussi se produire lorsque une onde radio (radio, TV, ... ) rencontre un obstacle dont la surface n'est pas idéalement plane et lisse. C'est le cas de couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonnées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface d'obstacles (falaises, forêts, constructions... ) pour les ondes ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de mégahertz). Comme en optique, la diffusion dépend du rapport entre la longueur d'onde et les dimensions des obstacles ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences) ou des zones ionisées lors d'aurores polaires.

Particules élementaires - matière

Article détaillé : Diffusion des particules.

Différents régimes de diffusion

Exemples de patron de diffusion selon la taille des diffuseurs versus la longueur d'onde. De gauche à droite : de Rayleigh (régime d'homogénéisation), de diffusion Mie pour de petites particules (régime résonnant) et pour de grosses particules (tendant vers régime spéculaire). L'onde incidente arrive par la gauche.

On peut distinguer le plus souvent trois régimes de diffusion, selon la taille caractéristique des éléments diffuseurs comparé à la longueur d'onde reconnue :

Effets de la diffusion

La diffusion est ainsi, avec l'absorption, la principale cause de l'affaiblissement de la lumière lors de sa propagation. Lors d'une réflexion, la diffusion atténue la réflexion spéculaire de la lumière, tandis qu'elle provoque une ouverture angulaire des faisceaux.

Applications

La compréhension des phénomènes de diffusion est particulièrement importante surtout pour le secteur médical : la majorité des techniques d'imagerie médicale utilise la diffusion. On peut aussi envisager des applications militaires (détection de tanks dans une jungle humide,  etc. ). Enfin, plusieurs techniques de spectroscopie (ou «spectrométrie») utilisent les principes de la diffusion.

Rétrodiffusion

Le domaine le plus courant d'utilisation de la diffusion est sa composante rétrodiffusée. Le lidar, le radar et le sonar utilisent tous la propriété qu'ont les cibles de renvoyer une partie de l'énergie incidente vers l'émetteur du signal ou un récepteur secondaire. Généralement, on utilisera la plage de la diffusion de Rayleigh pour obtenir une proportionnalité entre le signal incident et le retour.

On utilise aussi la rétrodiffusion dans les guides d'ondes et les fibres optiques pour détecter des défauts de fabrication. En effet, la diffusion de Rayleigh atténue graduellement le signal dans la direction de propagation et les imperfections vont renvoyer une importante partie de ce dernier vers la source. En mesurant le retour, on peut calculer les pertes dans le guide ou la fibre sans avoir à le couper pour introduire un appareil qui mesure les pertes directement la différence de signal depuis l'émetteur.

Sources

GREFFET, Jean-Jacques, Diffusion de la lumière, cours de l'École Supérieure d'Optique, 2003

Notes et références


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