Diffusion des ondes
La diffusion est le phénomène par lequel un faisceau de rayonnement (lumineux, acoustique, etc.) est dévié dans de multiples directions (on peut parler d'« éparpillement »). La polarisation du rayonnement incident est en général modifiée suite à la diffusion.
La diffusion peut avoir lieu à la rencontre d'une interface entre deux milieux (dioptre), où à la traversée d'un milieu (cas de la décomposition de la lumière par un prisme ou effet de l'arc en ciel). Ce processus est le plus souvent « élastique », c'est-à-dire qu'il a lieu sans changement de fréquence des rayonnements composant le faisceau.
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Cas des ondes électromagnétiques
Le phénomène de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas des couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface des 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 longeur d'onde et les dimensions des obstables ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences), les zones ionisées lors des aurores polaires.
La diffusion élastique est appelée diffusion Rayleigh et explique les phénomènes de décomposition de la lumière ainsi que le réfraction. La diffusion inélastique (avec augmentation de la longueur d'onde, c'est-à-dire diminution de la fréquence et donc de l'énergie des photons) est appelée diffusion Compton, et ne survient que pour des ondes à hautes énergies (rayons X) sur des atomes légers (de faible numéro atomique Z).
Diffusion de la lumière
La diffusion de la lumière peut se produire par exemple dans les gaz permanents, les fumées, la vapeur d'eau ou les poussières en suspension. Dans de tels milieux, et sous certaines conditions, la lumière semble « s'éparpiller » pour prendre de multiples directions de propagation. En réalité ce changement de direction traduit un phénomène microscopique complexe. Sous les forces électromagnétiques induites par la lumière, ils se créent dans la matière des dipôles oscillants. Ces dipôles, tels des antennes, rayonnent à leur tour, généralement à la même fréquence que la lumière incidente (diffusion élastique). Ce rayonnement est plus ou moins isotrope, d'où un changement apparent de la direction de propagation de la lumière.
La diffusion non élastique se rencontre dans les milieux optiques non-linéaires, dans les milieux présentant de l'effet Raman ou de l'effet Doppler. La diffusion élastique a lieu tant que le système diffuseur est stationnaire (i.e invariant dans le temps).
Différents régimes de diffusion
On distingue généralement trois régimes de diffusion, selon la taille caractéristique des éléments diffuseurs par rapport à la longueur d'onde considérée :
- Le régime de réflexion spéculaire. Les diffuseurs sont très grands devant la longueur d'onde du rayonnement. C'est le cas par exemple de la surface de la mer dans le visible, ou des grains de sable. La physique adaptée à cette échelle est l'optique géométrique. Le mot spéculaire désigne la direction dans laquelle la lumière se réflechit d'après les lois de Descartes.
- Le régime résonant. Dans ce cas intermédiaire, la taille des diffuseurs est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. C'est le cas des réseaux de diffraction par exemple.
- Le régime d'homogénéisation. Les diffuseurs sont beaucoup plus petits que la longueur d'onde. C'est le cas de nombreuses surfaces rugueuses. Dans ce régime, la lumière ne résout pas la rugosité, de telle sorte que l'on peut considérer le milieu comme un milieu effectif, avec un indice de réfraction moyen. Les réflexions sont spéculaires mais atténuées par rapport à un milieu lisse.
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 de la diffusion
La compréhension des phénomènes de diffusion est très importante notamment pour le secteur médical : imagerie médicale, détection de tumeurs, etc. On peut également envisager des applications militaires (détection de tanks dans une jungle humide, etc.)
Voir : Diffusion Rayleigh, Diffusion Compton, Diffusion de Mie
Sources
GREFFET, Jean-Jacques, Diffusion de la lumière, cours de l'École Supérieure d'Optique, 2003