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En optique , un réseau de diffraction est un réseau dont la structure périodique, à l'échelle appropriée, diffracte la lumière (ou tout autre type de rayonnement électromagnétique ) en plusieurs faisceaux se propageant dans des directions différentes (c'est-à-dire selon différents angles de diffraction), appelés ordres de diffraction. La coloration qui en résulte est une forme de coloration structurale . Les directions ou angles de diffraction de ces faisceaux dépendent de l' angle d'incidence de l'onde (lumière) sur le réseau de diffraction, de l'espacement ou de la distance périodique entre les éléments diffractants adjacents (par exemple, les fentes parallèles d'un réseau de transmission) et de la longueur d'onde de la lumière incidente. Le réseau agissant comme un élément dispersif , il est couramment utilisé dans les monochromateurs et les spectromètres , mais d'autres applications sont possibles, comme les codeurs optiques pour le contrôle de mouvement de haute précision et la mesure du front d'onde .
Pour les applications courantes, un réseau réfléchissant présente des crêtes ou des « règles » sur sa surface, tandis qu'un réseau transmissif présente des fentes transparentes ou creuses sur sa surface. Un tel réseau module l'amplitude d'une onde incidente pour créer une figure de diffraction. Certains réseaux modulent la phase des ondes incidentes plutôt que leur amplitude ; ces types de réseaux peuvent être fréquemment produits par holographie .
James Gregory (1638-1675) observa les figures de diffraction produites par une plume d'oiseau , constituant ainsi le premier réseau de diffraction naturel découvert, environ un an après les expériences de Newton sur les prismes . Le premier réseau de diffraction artificiel fut réalisé vers 1785 par l'inventeur philadelphien David Rittenhouse , qui enfila des poils entre deux vis à filetage fin. Ce dispositif était similaire au réseau de diffraction à fil métallique du célèbre physicien allemand Joseph von Fraunhofer en 1821. Les principes de la diffraction furent découverts par Thomas Young et Augustin-Jean Fresnel . En utilisant ces principes, Fraunhofer a été le premier à utiliser un réseau de diffraction pour obtenir des spectres de raies et le premier à mesurer les longueurs d'onde des raies spectrales avec un réseau de diffraction.
Dans les années 1860, Friedrich Adolph Nobert (1806-1881) fabriquait à Greifswald des réseaux de diffraction de pointe à faible période de sillon ; puis les Américains Lewis Morris Rutherfurd (1816-1892) et William B. Rogers (1804-1882) prirent le relais. À la fin du XIXe siècle, les réseaux concaves d’ Henry Augustus Rowland (1848-1901) étaient les meilleurs disponibles.
Un réseau de diffraction peut produire des couleurs « arc-en-ciel » lorsqu'il est éclairé par une source lumineuse à large spectre (par exemple, continue). Les couleurs semblables à l'arc-en-ciel observées sur les pistes étroites et rapprochées des disques de stockage optique, tels que les CD ou les DVD, illustrent la diffraction de la lumière causée par les réseaux de diffraction. Un réseau de diffraction classique est constitué de lignes parallèles (ceci est vrai pour les réseaux unidimensionnels, mais des réseaux bidimensionnels ou tridimensionnels existent également et ont leurs applications, comme la mesure du front d'onde), tandis qu'un CD présente une spirale de pistes de données finement espacées. Les couleurs de diffraction apparaissent également lorsqu'on observe une source ponctuelle brillante à travers la toile translucide d'un parapluie. Les films plastiques décoratifs à motifs, composés de zones réfléchissantes constituées de réseaux, sont peu coûteux et courants. Une séparation de couleurs similaire, observée sur de fines couches d'huile (ou d'essence, etc.) à la surface de l'eau et appelée irisation , n'est pas due à la diffraction d'un réseau, mais plutôt à l'interférence entre les couches minces et transparentes superposées.
Pour un réseau de diffraction, la relation entre le pas du réseau (c'est-à-dire la distance entre deux traits ou fentes adjacents), l'angle d'incidence de l'onde (lumière) sur le réseau et l'onde diffractée par le réseau est appelée équation du réseau. Comme de nombreuses autres formules optiques, l'équation du réseau peut être dérivée à partir du principe de Huygens-Fresnel , qui stipule que chaque point du front d'onde d'une onde se propageant peut être considéré comme une source ponctuelle d'onde, et que le front d'onde en tout point ultérieur peut être obtenu en additionnant les contributions de chacune de ces sources ponctuelles d'onde sur le front d'onde précédent.
Les réseaux de diffraction peuvent être de type « réfléchissant » ou « transmissif », analogues respectivement à un miroir ou à une lentille. Un réseau possède un « mode d'ordre zéro » (où l'ordre entier de diffraction la réflexion (comme un miroir) et de la réfraction (comme une lentille).
Les réseaux en tant qu'éléments dispersifs
La dépendance spectrale dans l'équation du réseau montre que ce dernier sépare un faisceau polychromatique incident en ses composantes spectrales constitutives sous différents angles, c'est-à-dire qu'il est dispersif angulairement . Chaque longueur d'onde du spectre du faisceau incident est dirigée différemment, produisant un arc-en-ciel de couleurs sous un éclairage blanc. Ce phénomène est visuellement similaire au fonctionnement d'un prisme , bien que le mécanisme soit très différent. Un prisme réfracte les ondes de différentes longueurs d'onde sous différents angles en raison de leurs indices de réfraction différents, tandis qu'un réseau diffracte les différentes longueurs d'onde sous différents angles en raison des interférences propres à chaque longueur d'onde.
Lorsque l'espacement des sillons est inférieur à la moitié de la longueur d'onde de la lumière, seul l' ordre réseaux sub-longueur d'onde et possèdent des propriétés optiques particulières. Réalisés sur un matériau isotrope , ces réseaux sub-longueur d'onde induisent une biréfringence , le matériau se comportant alors comme s'il était biréfringent .
Fabrication
Grilles en relief de surface
Les réseaux à relief de surface ( SR ) doivent leur nom à la structure de leur surface, composée de creux (faible relief) et de reliefs (haut relief). À l'origine, les réseaux à haute résolution étaient gravés par des machines de haute précision dont la construction représentait un défi de taille. Henry Joseph Grayson conçut une machine pour fabriquer des réseaux de diffraction, et réussit à en produire un de photolithographiques permirent de créer des réseaux par interférence holographique . Un réseau holographique présente des rainures sinusoïdales résultant d'une interférence optique sinusoïdale sur le matériau du réseau lors de sa fabrication. Bien que moins efficaces que les réseaux gravés, ils sont souvent privilégiés dans les monochromateurs car ils produisent moins de lumière parasite . Une technique de duplication permet de réaliser des répliques de haute qualité à partir de réseaux maîtres, quel que soit leur type, réduisant ainsi les coûts de fabrication.
La technologie des semi-conducteurs est aujourd'hui utilisée pour graver des réseaux à motifs holographiques dans des matériaux robustes comme la silice fondue. Ainsi, l'holographie à faible lumière parasite est combinée à la haute efficacité des réseaux de transmission gravés en profondeur, et peut être intégrée à une technologie de fabrication de semi-conducteurs à grand volume et à faible coût .
Réseaux holographiques à phase volumique
Une autre méthode de fabrication de réseaux de diffraction utilise un gel photosensible pris en sandwich entre deux substrats. Un motif d'interférence holographique expose le gel, qui est ensuite développé. Ces réseaux, appelés «indice de réfraction au sein du gel. Ceci élimine une grande partie des effets de diffusion de surface généralement observés dans d'autres types de réseaux. Ces réseaux ont également tendance à présenter des rendements plus élevés et permettent l'intégration de motifs complexes dans un seul réseau. Un réseau de diffraction VPH est généralement un réseau de transmission, à travers lequel la lumière incidente passe et est diffractée, mais un réseau de réflexion VPH peut également être réalisé en inclinant la direction de la modulation d'indice de réfraction par rapport à la surface du réseau. Dans les versions plus anciennes de ces réseaux, la sensibilité à l'environnement était un compromis, car le gel devait être maintenu à basse température et faible humidité. Généralement, les substances photosensibles sont scellées entre deux substrats qui les rendent résistantes à l'humidité, ainsi qu'aux contraintes thermiques et mécaniques. Les réseaux de diffraction VPH ne sont pas endommagés par les contacts accidentels et sont plus résistants aux rayures que les réseaux en relief classiques.
Grilles flambées
Autres grilles
L'holographie planaire numérique ( DPH ) est une nouvelle technologie d'insertion de réseaux de diffraction dans les circuits photoniques intégrés . Les réseaux DPH sont générés par ordinateur et fabriqués sur une ou plusieurs interfaces d'un guide d'ondes optique planaire par des méthodes de microlithographie ou de nano-impression standard, compatibles avec la production de masse. La lumière se propage à l'intérieur des réseaux DPH, confinée par le gradient d'indice de réfraction, ce qui allonge le trajet optique et offre une plus grande flexibilité de contrôle de la direction de la lumière.
Exemples
Les réseaux de diffraction sont souvent utilisés dans les monochromateurs , les spectromètres , les lasers , les dispositifs de multiplexage par répartition en longueur d'onde , les dispositifs de compression d'impulsions optiques , les interféromètres , et de nombreux autres instruments optiques.
Les CD et DVD pressés ordinaires sont des exemples courants de réseaux de diffraction et peuvent servir à illustrer cet effet en réfléchissant la lumière du soleil sur un mur blanc. Il s'agit d'un effet secondaire de leur fabrication : une surface d'un CD présente de nombreuses petites cavités dans le plastique, disposées en spirale ; cette surface est recouverte d'une fine couche de métal qui rend les cavités plus visibles. La structure d'un DVD est optiquement similaire, bien qu'il puisse présenter plusieurs surfaces alvéolées, toutes situées à l'intérieur du disque. disque vinyle standard , observé sous un angle faible perpendiculaire aux sillons, on observe un effet similaire, mais moins net, à celui d'un CD/DVD. Ceci est dû à l'angle d'observation (inférieur à l' angle critique de réflexion du vinyle noir) et à la modification du trajet de la lumière réfléchie par les sillons, laissant apparaître un motif en relief irisé.
Les réseaux de diffraction sont également utilisés pour répartir uniformément la lumière frontale des liseuses électroniques telles que la Nook Simple Touch avec GlowLight .
Réseaux de composants électroniques
Certains composants électroniques courants présentent des motifs fins et réguliers, et peuvent donc servir de réseaux de diffraction. Par exemple, les capteurs CCD des téléphones portables et appareils photo mis au rebut peuvent être extraits. À l'aide d'un pointeur laser , la diffraction permet de révéler la structure spatiale de ces capteurs . Cette technique est également applicable aux écrans LCD ou LED des smartphones . Ces écrans étant généralement protégés par un simple boîtier transparent, les expériences peuvent être réalisées sans endommager les téléphones. Si des mesures précises ne sont pas nécessaires, un projecteur peut révéler les figures de diffraction.
Grilles naturelles
Le muscle strié est le réseau de diffraction naturel le plus courant , ce qui a permis aux physiologistes de déterminer sa structure. Par ailleurs, la structure chimique des cristaux peut être considérée comme un réseau de diffraction pour des rayonnements électromagnétiques autres que la lumière visible, ce qui est à la base de techniques telles que la cristallographie aux rayons X.
Les couleurs irisées des plumes de paon , de la nacre et des ailes de papillon sont souvent confondues avec les réseaux de diffraction . Chez les oiseaux , les poissons et les insectes l'irisation est souvent due à des interférences en couches minces plutôt qu'à un réseau de diffraction. La diffraction produit tout le spectre des couleurs lorsque l'angle d'observation change, tandis que les interférences en couches minces produisent généralement une gamme beaucoup plus étroite. La surface des fleurs peut également créer une diffraction, mais la structure cellulaire des plantes est généralement trop irrégulière pour produire la géométrie en fentes fines nécessaire à un réseau de diffraction . Le signal d'irisation des fleurs n'est donc perceptible que très localement et reste ainsi invisible à l'homme et aux insectes butineurs. Cependant, des grilles naturelles existent chez certains animaux invertébrés, comme les araignées paon , les antennes des crevettes-graines , et ont même été découvertes dans des fossiles de schiste de Burgess .
On observe parfois des effets de diffraction en météorologie . Les couronnes de diffraction sont des anneaux colorés entourant une source lumineuse, comme le Soleil . Elles sont généralement observées beaucoup plus près de la source lumineuse que les halos et sont causées par de très fines particules, telles que des gouttelettes d'eau, des cristaux de glace ou des particules de fumée dans un ciel brumeux. Lorsque les particules sont toutes de taille presque identique, elles diffractent la lumière incidente selon des angles très précis. L'angle exact dépend de la taille des particules. Les couronnes de diffraction sont fréquemment observées autour de sources lumineuses, comme les flammes de bougies ou les lampadaires, dans le brouillard. L'irisation des nuages est causée par la diffraction, qui se produit le long des anneaux coronaux lorsque les particules qui les composent sont de taille uniforme.