Diffusion des ondes

Capture avec mon caméscope en position zoom  , de la diffusion de la filamentation d'impulsions laser femtosecondes dans l'air  .   

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 en général modifiée suite à la diffusion. La diffusion peut être également répartie dans toutes les directions (isotrope) ou obéir à un patron de réémission bien particulier selon le milieu traversé (anisotrope). En particulier, la partie de l'onde incidente qui est retournée dans la direction d'où elle a été émise est appelée rétrodiffusion. Ce phénomène arrive lorsque l'onde rencontre un objet de taille inférieure ou égale à sa longueur d'onde.

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).

Ondes électromagnétiques - matière

Le cas le plus souvent 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.

• La diffusion de Mie est la diffusion élastique des ondes électromagnétiques ; elle a lieu lorsque les diffuseurs sont d'une taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde incidente. La diffusion Rayleigh en est un cas limite.
• La diffusion Rayleigh est la diffusion élastique pour des ondes électromagnétiques, dont la longueur d'onde est très supérieure à la taille des éléments diffusant (plus de 10 fois supérieure). Cette diffusion est à l'origine de la couleur bleue du ciel. Lorsque nous dirigeons notre regard vers le soleil ou au voisinage de celui-ci, nous percevons les rayonnements les plus directs. Peu diffusés par l'atmosphère, ils ont une grande longueur d'onde (couleur tendant vers le rouge). Lorsque nous dirigeons notre regard ailleurs dans le ciel, nous percevons des rayonnements dont la trajectoire à partir du soleil est très indirecte. Ces rayonnements résultent de la diffusion de Rayleigh qui est plus prononcée pour de courtes longueurs d'onde (couleur tendant vers le violet).
• La diffusion Raman est la diffusion inélastique d'ondes électromagnétiques sur des atomes, des molécules, ou des solides. La différence d'énergie entre un photon absorbé et un photon réémis est égale à la différence d'énergie entre deux états de rotation ou de vibration de l'objet diffusant. La spectroscopie Raman est une technique de caractérisation de matériaux reprenant ce principe.
• La diffusion Brillouin est la diffusion inélastique d'ondes électromagnétiques sur un solide, elle concerne notamment les interactions avec les phonons acoustiques.

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), dediffusion Mie pour de petites particules (régime résonnant) et pour de grosses particules (tendant vers régime spéculaire). L'onde incidente arrive par la gauche.

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 diffusant la lumière 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 réfléchit 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.

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. En général, on utilisera la plage de la diffusion de Rayleigh pour obtenir une proportionnalité entre le signal incident et le retour.

( source : Wikipédia )