Les interférences lumineuses

01Superposer deux ondes lumineuses

Lorsque deux ondes lumineuses cohérentes, c'est-à-dire de même fréquence et de déphasage constant dans le temps, se superposent en un même point de l'espace, elles interfèrent : l'intensité lumineuse résultante n'est pas simplement la somme des intensités de chaque onde, elle dépend de leur différence de marche, c'est-à-dire de la différence des distances parcourues par chacune des deux ondes depuis leurs sources jusqu'au point considéré. Pour observer des interférences stables et visibles, les deux ondes doivent provenir de la même source primaire, séparée en deux ondes secondaires cohérentes : c'est le rôle joué par les deux fentes dans l'expérience historique des fentes de Young, réalisée avec une source de lumière monochromatique.

02Condition sur la différence de marche

La nature de l'interférence en un point de l'écran dépend de la différence de marche δ entre les deux ondes qui s'y superposent, comparée à la longueur d'onde λ de la lumière utilisée. Lorsque δ est un multiple entier de λ (δ = k·λ, avec k entier), les deux ondes arrivent en phase : elles interfèrent de manière constructive et forment une frange brillante. Lorsque δ est égal à un multiple entier de λ plus une demi-longueur d'onde (δ = (k + 1/2)·λ), les deux ondes arrivent en opposition de phase : elles interfèrent de manière destructive et forment une frange sombre. L'alternance régulière de ces franges brillantes et sombres, observée sur l'écran, constitue la figure d'interférences, caractéristique du comportement ondulatoire de la lumière.

03Une preuve de la nature ondulatoire de la lumière

L'observation de figures d'interférences a joué un rôle historique majeur : elle a permis, au XIXe siècle, de trancher en faveur du modèle ondulatoire de la lumière, un phénomène corpusculaire ne pouvant pas expliquer l'apparition de zones sombres là où arrive pourtant de la lumière issue des deux fentes. L'écartement entre les franges dépend de la longueur d'onde de la lumière utilisée, de la distance entre les fentes et de la distance entre les fentes et l'écran : plus la longueur d'onde est grande, plus les franges sont espacées, ce qui permet aussi d'utiliser ce dispositif pour mesurer une longueur d'onde inconnue.

04Méthode : analyser une figure d'interférences

1. Vérifie que les deux ondes sont cohérentes (même fréquence, déphasage constant, issues d'une même source).
2. Calcule ou compare la différence de marche δ à la longueur d'onde λ au point considéré.
3. Conclus : frange brillante si δ = k·λ, frange sombre si δ = (k + 1/2)·λ.

05Erreurs fréquentes

• ✗ Croire que deux ondes lumineuses quelconques interfèrent toujours : elles doivent être cohérentes.
• ✗ Confondre interférences constructives (ondes en phase) et destructives (ondes en opposition de phase).
• ✗ Penser qu'une frange sombre signifie qu'aucune lumière n'atteint l'écran à cet endroit : c'est la superposition qui s'y annule.