Diffusion des ondes

La diffusion est le phénomène par lequel un faisceau de rayonnement (lumineux, acoustique, neutronique, rayons X, 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.

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.

Différents types de diffusion

Une onde électromagnétique, ou onde lumineuse peut subir des diffusions très variées.

La diffusion élastique par des particules chargées (électrons, plasmas, ions...) est appelée diffusion Rayleigh lorsque l'énergie des photons est faible comparée aux fréquences de résonance, ou diffusion Thomson dans le cas contraire.

La diffusion élastique par une particule neutre est appelée diffusion Rayleigh lorsque les diffuseurs sont très petits devant la longueur d'onde, ou bien diffusion de Mie lorsque les diffuseurs sont de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde.

La diffusion Rayleigh explique la couleur bleue du ciel : il s'agit d'une onde électromagnétique diffusée par les fluctuations de densité des molécules d'air. Rigoureusement, la diffusion par les fluctuations de densité des gaz est la somme de deux contributions qui interviennent toujours simultanément :

fluctuations d'entropie à pression constante : ce terme crée une diffusion élastique de type Rayleigh, qui est à l'origine de la couleur bleue ;

fluctuations de pression adiabatiques (à entropie constante). Ce deuxième terme correspond à la diffusion de la lumière par des ondes acoustiques : il s'agit de diffusion Brillouin, diffusion inélastique avec un très faible changement de fréquence.

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) peut prendre encore d'autres formes :

elle peut correspondre à de la diffusion Compton, si elle survient pour des ondes à hautes énergies (rayons X) diffusées sur des atomes légers (de faible numéro atomique Z) ou sur des électrons ;
elle peut correspondre à la diffusion Raman. Dans ce cas, la différence d'énergie entre un photon absorbée et un photon réémis est égale à la différence d'énergie entre deux états de rotation ou de vibration d'une molécule.

Les effets de diffusion sont extrêmement rapides, et ont lieu pour de larges bandes spectrales. La fluorescence est un phénomène inélastique qui intervient pour une longueur d'onde très précise (effet de résonance), et dont le temps caractéristique est beaucoup plus long (typiquement de l'ordre de la microseconde). Elle n'est donc pas apparentée à la diffusion.

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