les faisceaux NON-diffractants COMPRENDRE
COMPRENDRE LES FAISCEAUX NON-DIFFRACTANTS
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Nicolas SANNER *
Aix-Marseille Univ., Laboratoire LP3, CNRS UMR 7341, 163 Av. Luminy, 13009 Marseille, France * nicolas. sanner @ univ-amu. fr
La diffraction constitue une limite fondamentale de l’ optique, qui lie champ proche et champ lointain par une transformée de Fourier. Un faisceau ne peut donc pas conserver sa dimension transverse lorsqu’ il se propage. Les faisceaux dits « non-diffractants » présentent néanmoins cette étrange caractéristique. Ils sont même capables de se « reconstruire » après avoir rencontré un obstacle. Quelles sont les raisons qui rendent cela possible? https:// doi. org / 10.1051 / photon / 2025313251
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UN FAISCEAU IMMUNISÉ CONTRE LA DIFFRACTION? À la fin des années 1980, Jim Durnin et ses collègues ont introduit le concept du faisceau de Bessel [ 1 ], un faisceau lumineux théorique non diffractant, c’ est-à-dire dont le profil transverse reste invariant lors de sa propagation. Il s’ agit d’ un faisceau théorique( à l’ instar d’ une onde plane parfaite, censée être d’ extension transverse infinie), obtenu comme solution invariante de l’ équation de Helmholtz. Il peut parcourir une distance infinie sans changer de forme ni de taille, au prix d’ une énergie infinie – impossibilité physique.
Un tel faisceau n’ existe pas, mais, en pratique, il est possible de générer des faisceaux quasi-non-diffractants, conservant leur structure sur des distances bien supérieures à la distance de Rayleigh. A titre de comparaison, un faisceau gaussien visible fortement focalisé sur une tache focale de diamètre 2w 0 = 1 µ m conserve cette dimension sur une longueur( profondeur de champ 2z R = 2πw 2 0 / λ) de seulement 3 µ m avant de diverger fortement, tandis qu’ un faisceau non-diffractant peut au contraire atteindre un rapport d’ aspect(= longueur / diamètre) de plusieurs centaines. Cette propriété unique ouvre la voie à de nombreuses applications.
Cet article présente cette classe particulière de faisceaux, les techniques pour les générer, leurs différentes déclinaisons, et quelques exemples d’ applications qui tirent profit de leurs spécificités.
GÉNÉRER UN FAISCEAU NON-DIFFRACTANT Principe Ces propriétés surprenantes ne proviennent pas d’ une mise en défaut théorique de la diffraction( malgré une terminologie qui peut sembler paradoxale), mais plutôt du simple fait que ce type de faisceaux résulte non pas d’ un effet propagatif, mais plutôt d’ un effet interférentiel. Pour le faisceau non-diffractant le plus simple( faisceau de Bessel), le principe de base est de faire interférer un ensemble d’ ondes planes se propageant avec un angle θ autour de l’ axe optique( Figure 1). Dans leur zone de superposition, ces ondes forment des franges d’ interférences constructives parallèles à la bissectrice de l’ angle.
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