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Laquelle des propositions suivantes correspond à la définition de ce que l’on appelle « lumière cohérente » ? (A) Deux ondes lumineuses ou plus sont cohérentes si elles ont la même fréquence. (B) Deux ondes lumineuses ou plus sont cohérentes si elles ont une différence de phase constante. (C) Deux ondes lumineuses ou plus sont cohérentes si elles ont la même fréquence et la même amplitude. (D) Deux ondes lumineuses ou plus sont cohérentes si elles ont la même amplitude et une différence de phase constante. Ou (E) deux ondes lumineuses ou plus sont cohérentes si elles ont la même fréquence et une différence de phase constante.
Sur toutes ces propositions, il semble qu’il y ait trois propriétés différentes permettant de déterminer si deux ondes lumineuses ou plus sont cohérentes ; il s’agit de voir si les ondes ont la même fréquence, si elles ont une différence de phase constante et si elles ont la même amplitude. Voyons chacun de ces cas, en commençant par le bas avec amplitude. L’amplitude correspond à la hauteur de l’onde et elle est mesurée en utilisant le point le plus haut et le plus bas de l’onde, les pics et les creux. L’amplitude n’a pas d’impact sur la cohérence des ondes, même si la différence d’amplitude entre les ondes est très importante.
Comme les propositions (C) et (D) incluent toutes les deux l’amplitude, nous savons que ces propositions ne conviennent pas. Alors supprimons-les pour faire de la place et regardons la fréquence. La fréquence d’une onde correspond à la fréquence à laquelle l’onde oscille lorsqu’elle se déplace. Une onde qui a plus d’oscillations sur la même période a une fréquence plus élevée qu’une onde avec moins d’oscillations, qui a donc une fréquence plus faible. Pour que deux ou plusieurs ondes lumineuses soient cohérentes, il faut qu’elles aient la même fréquence. Ces deux ondes lumineuses, par exemple, ne sont donc pas cohérentes. Mais ces deux ondes sont cohérentes parce qu’elles ont la même fréquence et qu’elles correspondent en fait à la même onde. Comme la proposition (B) ne mentionne pas du tout la fréquence, elle ne convient pas et nous pouvons la supprimer.
Maintenant, nous savons que les ondes doivent avoir la même fréquence. Mais que se passe-t-il si elles ont une phase différente, quelque chose comme ça par exemple ? Alors, nous savons que ces ondes ont la même fréquence car sur la même longueur, elles couvrent toutes les deux un cycle complet. Mais pour déterminer si elles sont cohérentes, ce qui est important, ce n’est pas la phase, mais plutôt la différence de phase et plus précisément il faut une différence de phase constante. Et pour se représenter ce qu’est une différence de phase constante, rappelons les valeurs de la phase en degrés de plusieurs points d’une onde sinusoïdale classique.
Le point initial correspond à zéro degré, le pic à 90 degrés, le point au milieu du cycle à 180 degrés, le creux à 270 degrés et le point final du cycle à 360 degrés ou zéro degré, car le point final correspond au point initial d’un nouveau cycle. En utilisant ces mesures pour la phase, nous voyons que l’onde lumineuse du haut commence à 90 degrés et que l’onde du bas commence à zéro degré. Si nous regardons maintenant tous les autres points de ces ondes, nous pouvons voir que la différence de phase entre deux points quelconques pris au même instant est de 90 degrés. Notons que lorsqu’il faut choisir entre une phase de 360 ou de zéro degré, nous utilisons la valeur qui permet d’obtenir un résultat positif.
Alors, nous voyons qu’il existe une différence de phase constante entre ces deux ondes en tout point. Et si nous avons une différence de phase constante de 90 degrés entre ces deux ondes et que la fréquence est la même, cela signifie qu’elles sont cohérentes. Mais si nous ajoutons une troisième onde avec la même phase que la troisième onde, nous ne pouvons pas dire que ces trois ondes lumineuses sont cohérentes entre elles, car même si elles ont la même fréquence, la différence de phase entre les trois ondes n’est pas constante.
Nous avons déjà vu que ces deux ondes ont une différence de phase constante de 90 degrés. Mais comme ces deux ondes ont la même phase, leur différence de phase est de zéro degré, ce qui signifie que la différence de phase est différente entre les deux ondes considérées et ces trois ondes n’ont donc pas une différence de phase constante. Si on ne considère que deux ondes et que ces ondes ont la même fréquence, cela signifie généralement qu’elles ont également une différence de phase constante. Ce point ne semble pas important mais quand on considère trois ondes ou plus, c’est en fait un point important. Donc, ne considérer que la fréquence, comme le suggère la proposition (A), n’est pas correct.
La proposition qui donne la définition correcte du terme « lumière cohérente » est la proposition (E) : deux ou plusieurs ondes lumineuses sont cohérentes si elles ont la même fréquence et une différence de phase constante.
