Diffusion des ondes - Définition

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), ou 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.

Diffusion des ondes électromagnétiques

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.

Le phénomène de diffusion peut également se produire quand une onde radio (radio, TV,...) rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas de couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonées (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 obstables 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.

Différents types de diffusion

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

On parle de diffusion élastique lorsqu'il n'y a pas (ou très peu) de changement d'énergie entre la radiation avant et après diffusion.

• Lorsque la longueur d'onde est très supérieure à la taille des éléments diffusant (plus de 10x supérieure), il s'agit de la diffusion Rayleigh. La diffusion Rayleigh 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 de Mie a lieu lorsque les diffuseurs sont de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde.

• Lorsque les diffuseurs sont des particules chargées, en particulier des plasmas, on parle alors de diffusion Thomson.

• Enfin, lorsque la diffusion est due à une variation de densité dans un milieu, il s'agit de diffusion Brillouin.

La diffusion inélastique a donc lieu si il y a changement de la longueur d'onde entre le faisceau incident et le faisceau émis.

• On parle de diffusion Compton, lorsque la diffusion survient pour des ondes à hautes énergies (rayons X) diffusées par des atomes légers (de faible numéro atomique Z) ou par des électrons

• Le terme de diffusion Raman est utilisé lorsque 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 de la molécule diffusante. La spectroscopie Raman est une technique de caractérisation de matériaux reprenant ce principe.

De manière générale, les effets de diffusion sont extrêmement rapides, et ont lieu pour de larges bandes spectrales. La fluorescence n'est donc pas apparentée à la diffusion puisqu'il s'agit d'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).

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 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 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.). Enfin, plusieurs techniques de spectroscopie et spectromérie utilisent les principes de la diffusion.