Expérience de diffraction - La tache d'Airy

Aujourd'hui nous avons réalisé une expérience de diffraction où notre but était de reproduire la fameuse tache d'Airy.

La diffraction : lorsqu'une onde rencontre un obstacle de petite dimension, sa direction de propagation est changée. Le phénomène de diffraction dépend de la longueur d'onde λ de l'onde et de la dimension D (cf Physique Chimie - Collection E.S.P.A.C.E Lycée - Terminale S - Bordas).

Tâche d'Airy : le disque d'Airy est une figure de diffraction. Lorsque la lumière traverse un trou circulaire, cette tâche (ou disque) apparaît avec un disque central et des cercles concentriques de plus en plus atténués. Deux points objet A et B se trouvant sur le même plan objet, ont des images d'Airy de centre A' et B'. Un instrument est capable de discerner correctement deux objets/points lorsque les deux taches d'Airy sont au maximum tangentes. Plus les tâches se chevauchent l'une sur l'autre, plus l'instrument à du mal à percevoir les deux objets. Il faut donc un minimum d'écartement entre les deux points/objets pour pouvoir les distinguer correctement. Voici un exemple : un télescope avec un diamètre de 10 mètres et une longueur d'onde de 550 nm dans le domaine visible, le pouvoir de résolution est d'environ 0,014 secondes d'arc.  

 Expérience : notre expérience scientifique consiste à reproduire la tâche d'Airy.

1. Matériel utilisé : un laser émettant des radiations de 650 nanomètres (soit dans le rouge) / une potence afin de tenir le laser / un écran blanc / une plaque contenant la fente circulaire de diamètre 0,3 millimètres / un élévateur soutenant la plaque
2. Protocole : nous avons projeté le faisceau du laser rouge sur l'écran blanc. Après avoir ajusté l'élévateur qui soutenait la plaque contenant la fente, le disque d'Airy nous ait apparu. Au centre se trouvait une tâche rouge de 8 mm, entourée d'un cercle noir. Le papier millimétré nous a servi à mesurer le diamètre du cercle noir en prenant pour extrémité de ce cercle le milieu de la zone noire. Suite à de nombreuses tentatives nous sommes arrivé à la conclusion que cette distance était de 9 mm.
3. Calculs : calcul de la tâche d'Airy : Nous voulons vérifier que la distance milieu/milieu du cercle noir est bien de 9 mm.

Comment se forme la tâche d'Airy ? le disque d'Airy se forme grâce au phénomène de diffraction. Lorsque le faisceau du laser a rencontré la fente circulaire, la lumière s'est dispersée perpendiculairement à l'obstacle. Quand une onde mécanique plane rencontre une fente de dimension voisine à celle de sa longueur d'onde, cette onde devient une onde circulaire. Puis cette onde circulaire s'est propagée dans une large partie du milieu au-delà de l'obstacle.