Le déphasage : définition et impact sur la lumière
Avez-vous déjà remarqué les magnifiques irisations d’une bulle de savon ou les anneaux colorés autour d’une ampoule ? Ces phénomènes, aussi beaux soient-ils, sont dus à un phénomène physique bien précis : le déphasage de la lumière. Qu’est-ce qui se passe lorsque deux ondes lumineuses se rencontrent ? Quel est le lien entre le déphasage et les interférences lumineuses ? Nous répondons à toutes vos questions.
Qu’est-ce que le déphasage ?
Pour bien comprendre le comportement des ondes, il est indispensable de maîtriser toutes les notions de déphasage.
Définition physique du déphasage
Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu et transporte avec elle de l’énergie sans aucune matière. Les ondes sont soit mécaniques (ondes sonores, ondes à la surface de l’eau) soit électromagnétiques (lumière, ondes radio). La phase d’une onde localise un point particulier dans son mouvement oscillatoire à un instant donné.
Le déphasage est tout simplement la différence de phase entre deux points d’une même onde ou entre deux ondes différentes. Il décrit la manière dont un point se déplace par rapport à un autre dans leur mouvement oscillatoire.
Description mathématique
La phase d'une onde est souvent représentée par une fonction sinusoïdale ou cosinusoïdale. Par exemple, pour une onde sinusoïdale, on peut écrire : y(t) = A sin(ωt + φ).
Dans cette formule :
- y(t) représente l'amplitude de l'onde à un instant t.
- A est l'amplitude maximale de l'onde.
- ω est la pulsation (liée à la fréquence).
- t est le temps.
- φ est la phase à l'origine, c'est-à-dire le déphasage à l'instant t=0.
Le déphasage indique le décalage entre deux ondes. Il se mesure en radians ou en degrés. Un décalage de 180° signifie que les ondes sont à l'opposé. A contrario, un décalage nul montre qu'elles sont synchronisées ou en phase. Grâce à cette équation, nous pouvons analyser en détail les vibrations d’ondes et calculer leur décalage.
Pourquoi le déphasage se produit-il ?
Le déphasage, comme nous venons de l’aborder, est donc un décalage entre deux ondes. Il est causé par divers phénomènes :
- La vitesse de propagation : si deux ondes traversent des milieux différents, leurs vitesses varient et créent ainsi un décalage. Par exemple, la lumière se propage plus lentement dans l'eau que dans l'air, ce qui peut entraîner un déphasage.
- Les interactions avec différents milieux : lorsqu'une onde passe d'un milieu à un autre (par exemple, de l'air à un verre), une partie de l'onde peut être réfléchie et une autre réfractée, ce qui introduit un décalage.
- Les obstacles : quand une onde rencontre un obstacle, sa trajectoire se modifie et donc sa phase aussi.
- Les sources d'ondes non synchronisées : si deux sources émettent des ondes de même fréquence, mais qu'elles ne commencent pas à vibrer en même temps, un déphasage apparaîtra inévitablement. Ce décalage dans le temps de démarrage va se répercuter sur l'évolution des ondes dans l'espace.
Le déphasage et la lumière : principes physiques
Pour mieux comprendre comment la lumière interagit avec différents milieux et comment le déphasage influence les phénomènes d'interférence, explorons maintenant ses propriétés et ses mécanismes en tant qu'onde électromagnétique.
Propagation de la lumière comme onde électromagnétique
La lumière se comporte exactement comme une onde. Imaginez une corde que l'on secoue d'un bout à l'autre : des ondulations se propagent le long de la corde. C'est un peu comme cela que la lumière se déplace, mais dans l'espace et non le long d'une corde. Ces ondulations lumineuses ont plusieurs caractéristiques :
- La longueur d'onde : c’est la distance entre deux crêtes successives de l'onde. Plus la longueur d'onde est courte, plus la lumière est énergétique et proche du violet. À l'inverse, une longue longueur d'onde correspond à une lumière moins énergétique et plus proche du rouge.
- La fréquence : c'est le nombre de crêtes qui passent en un point donné en une seconde. Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie de la lumière est grande.
- La phase : deux ondes peuvent avoir la même longueur d'onde et la même fréquence, mais si elles ne sont pas en phase, elles ne se comportent pas de la même manière lorsqu'elles se rencontrent.
Déphasage dû aux différents milieux de propagation
Lorsque la lumière traverse des milieux ayant des indices de réfraction différents, un déphasage se produit. Pourquoi ? Cela est dû à sa vitesse de propagation qui change en fonction du milieu qu’elle traverse. Par exemple, quand la lumière passe de l’air à l’eau, elle ralentit et sa phase se décale.
Interférences et déphasage
Le déphasage est à l’origine des interférences. Lorsque la lumière pénètre dans une couche mince, une partie est réfléchie à la surface supérieure, tandis qu'une autre partie est réfléchie à la surface inférieure. Ces deux rayons lumineux se recombinent et interfèrent. Il existe deux types d’interférences :
- L’interférence constructive : la lumière, après avoir traversé la couche mince, revient sur elle-même, les deux rayons lumineux sont alors en phase. Ce phénomène intensifie la lumière à cet endroit.
- L’interférence destructive : la lumière revient sur elle-même après avoir traversé la couche mince, mais que les deux rayons sont en opposition, ils s'annulent et créent de l'obscurité.
- Dans l’exemple de la double fente de Young, un faisceau lumineux traverse deux fentes étroites et parallèles, il donne naissance à deux sources de lumière. Ces deux ondes se superposent ensuite sur un écran, créant des franges alternativement brillantes (interférences constructives) et sombres (interférences destructives).
Impact du déphasage sur les propriétés optiques
Afin de saisir comment le déphasage modifie les propriétés optiques, penchons-nous sur son effet sur l’intensité lumineuse et les couleurs observées.
Impact sur l’intensité lumineuse
Le déphasage détermine l'intensité de la lumière résultant de la superposition de deux ondes. Au moment où celles-ci se rencontrent, elles peuvent s'additionner (interférence constructive) ou se soustraire (interférence destructive), selon leur déphasage. Si les crêtes des ondes coïncident, l'intensité lumineuse augmente. Au contraire, si une crête rencontre un creux, l'intensité diminue, voire s'annule. Ce phénomène est à la base de nombreux effets optiques.
Effet sur les couleurs observées
Les couleurs irisées que vous observez dans les bulles de savon ou les films d’huile sur l’eau sont un résultat direct des interférences lumineuses causées par le déphasage. Selon l’épaisseur de la couche et la longueur d’onde de la lumière, les interférences peuvent être constructives pour certaines couleurs et destructives pour d’autres.
Applications technologiques
Le contrôle du déphasage et la maîtrise de la polarisation de la lumière par les scientifiques et les ingénieurs a ouvert la voie à de nombreuses applications technologiques. Principalement dans les domaines de la communication, de l’industrie, de la santé.
En faisant varier le déphasage de la lumière, les cristaux liquides contrôlent la polarisation. Cette propriété est à la base du fonctionnement des écrans LCD qui sélectionnent certaines polarisations lumineuses. De la même manière, les lunettes polarisées utilisent des filtres polarisants pour éliminer certaines composantes de la lumière, réduisant ainsi les reflets et améliorant la visibilité.
Dans le domaine de l'optique :
- Les interféromètres exploitent les interférences lumineuses pour mesurer avec une extrême précision des distances ou des variations d'indice de réfraction. Ces instruments sont utilisés en métrologie, en astronomie et en physique fondamentale.
- Les capteurs optiques utilisent souvent des phénomènes d'interférence pour détecter des variations de température, de pression ou de composition chimique.
- Les filtres optiques sélectionnent certaines longueurs d'onde de la lumière en exploitant les propriétés d'interférence de couches minces.
Comment éviter le déphasage ?
Éviter complètement le déphasage de la lumière est un idéal difficile à atteindre, mais on peut le minimiser. L'emploi de traitements antireflets et le choix de matériaux à indice de réfraction uniforme réduisent les réflexions ainsi que les changements de direction de la lumière. L'optimisation des composants optiques, tels que les lentilles et les filtres, contribue à une propagation lumineuse plus cohérente en minimisant les décalages de phase.
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