Cohérence (physique)

La cohérence en physique est l'ensemble des propriétés de corrélation d'un système ondulatoire. Son sens initial était la mesure de la capacité d'onde(s) à donner naissances à des interférences - du fait de l'existence d'une relation de phase définie - mais il s'est élargi. On peut parler de cohérence entre 2 ondes, entre les valeurs d'une même onde à deux instants différents (cohérence temporelle) ou entre les valeurs d'une même onde à deux endroits différents (cohérence spatiale).

Le terme cohérent s'emploie à la fois pour une radiation électromagnétique ou pour des particules, dont le comportement ondulatoire a été postulé en 1924 par Louis de Broglie.

La cohérence temporelle d'une onde est liée à la largeur de bande spectrale de la source. Une onde réellement monochromatique (une seule fréquence) aurait, en théorie, un temps et une longueur de cohérence infinis. En pratique, aucune onde n'est réellement monochromatique (car cela requiert un train d'ondes de durée infinie), mais, en général, le temps de cohérence de la source est inversement proportionnel à sa largeur de bande Δν. On définit le temps de cohérence τ_c de la source par l'inverse de la largeur spectrale τ_c=1/Δν. La longueur de cohérence temporelle est L_c=vτ_c, où v est la vitesse de propagation de l'onde. Si les différents chemins suivis par l'onde diffèrent d'une longueur supérieure à L_c=vτ_c, il n'y aura pas d'interférences.

Les ondes ont également une cohérence spatiale ; c'est la capacité de chacun des points du front d'onde à interférer avec n'importe quel autre point. En effet, si la source est étendue, il y aura addition d'ondes incohérentes émises par chaque point source, ce qui peut brouiller les interférences. L'expérience des fentes de Young repose sur la cohérence spatiale du faisceau illuminant les deux fentes : si le faisceau avait été incohérent spatialement, par exemple si la lumière solaire n'était pas passée à travers une première fente, alors aucune frange d'interférence ne serait apparue. La largeur de cohérence de la source donne la taille maximale permise pour qu'il y ait interférences. Dans le cas des fentes de Young, la largeur de cohérence est l_s=λD/ΔS (λ est la longueur d'onde de la source, ΔS la largeur de la distribution spatiale d'intensité et D la distance où l'on se place) : la largeur de cohérence dépend donc à la fois de caractéristiques intrinsèques à la source (λ et ΔS) et de la distance à laquelle on se trouve : plus on s'éloigne, plus la source se rapproche d'une source ponctuelle.

Par opposition, incohérent qualifie un faisceau qui ne dispose pas de ces caractéristiques. Les ondes incohérentes, lorsqu'elles sont combinées, produisent des interférences qui se déplacent rapidement. Un détecteur va alors faire la moyenne de l'intensité reçue, et il n'y aura pas d'interférences : les intensités s'ajoutent.

Exemples de faisceau cohérent

• la lumière laser
• le rayonnement synchrotron généré par un onduleur

Exemples de faisceau, ou de source, incohérent

• la lumière solaire
• la lumière émise par une ampoule
• une diode électroluminescente (sauf pour la diode laser)