La diffraction est un terme utilisé en optique pour parler du phénomène de déviation des rayons de lumière au voisinage de corps opaques. Ces corps peuvent être aussi bien solides que liquides. La diffraction s’applique à tout type de rayonnement, y compris avec un laser. Nous vous aidons à mieux comprendre le phénomène de la diffraction laser.

Principe de fonctionnement de la diffraction laser

La diffraction laser est fondée sur la relation entre la lumière et la surface de particules. Lorsque la lumière et les surfaces interagissent, il en résulte soit de la réfraction, de la réflexion, de l’absorption ou de la diffraction. Il peut aussi y avoir un mélange de ces phénomènes. La diffraction laser offre les meilleures garanties si vous voulez une analyse précise de la taille des particules, à condition que le système de diffraction contienne les éléments suivants :

  • un laser : il est nécessaire comme source de lumière intense et cohérente. Il doit avoir une longueur d’onde définie ;
  • un système de présentation de l’échantillon : il garantit que le matériau testé traverse avec succès le faisceau laser sous la forme d’un flux de particules dont l’état de dispersion est connu et qui peut être reproduit ;
  • des détecteurs : les détecteurs (généralement un réseau de diodes de silicium photosensible) sont utilisés pour mesurer le motif lumineux produit sous différents angles.

En vous rendant sur ribori-instrumentation.com, vous trouverez de nombreux outils qui vous permettent de mesurer la taille des particules, pour une analyse granulométrique avec laser efficace. La diffraction laser offre un résultat pour l’ensemble de l’échantillon de particules.

Lors d’une expérience de diffraction laser, les particules sont éclairées par un faisceau laser. La rencontre entre le laser et les particules produit un motif de lumière diffusée. Celui-ci permet aux scientifiques de déduire la taille et la forme des particules.

En règle générale, les particules les plus grosses provoquent une forte intensité de diffusion à des angles faibles par rapport au faisceau et les particules plus petites. En revanche, elles créent un signal de faible intensité à des angles beaucoup plus larges. Ces modèles de diffusion angulaire sont mesurés à l’aide de divers détecteurs spécialement conçus et la distribution de la taille des particules est déterminée à partir des données obtenues.

granulométrie diffraction laser

Quels sont les domaines d’application de la diffraction laser ?

Au cours des vingt dernières années, la diffraction laser a, dans une large mesure, remplacé les méthodes traditionnelles d’analyse de la taille des particules, telles que le tamisage (une pratique autrefois courante pour les matériaux granulaires). Actuellement, la diffraction laser est utilisée pour faire de la granulométrie, c’est-à-dire pour mesurer la taille de toutes petites particules (de l’ordre du millimètre au nanomètre).

Reconnue pour sa capacité à mesurer les plus petites particules, la diffraction laser s’est imposée comme la technique de choix dans l’industrie pharmaceutique où l’examen de la taille des particules est crucial pour déterminer la performance d’un produit ou d’un processus. La granulométrie laser est également très utile pour contrôler les chaînes de production en poudre telles que le ciment ou le toner.

De façon générale, on retrouve ce type de procédé dans toutes les industries où l’analyse des tailles des particules est importante. Ainsi, la diffraction laser est appliquée pour la caractérisation des oxydes métalliques utilisés dans l’industrie des batteries. Elle est également très utile dans l’industrie de la peinture, dans l’industrie pétrolière ou encore dans l’agroalimentaire.

Grâce aux possibilités d’automatisation, l’analyse moderne de la taille des particules peut souvent se résumer à charger l’échantillon et à appuyer sur un bouton, ce qui constitue une perspective intéressante pour les industries qui veulent gagner en efficacité.

Théories de la diffraction de Mie et de Fraunhofer

La diffraction laser s’appuie principalement sur deux théories. Il s’agit de la théorie de la diffusion de Mie et l’approximation de la diffraction de Fraunhofer. Ces deux théories sont utilisées pour calculer le type de modèles de distribution de l’intensité lumineuse produits par des particules de différentes tailles.

La théorie de Mie

La théorie de Mie utilise la différence d’indice de réfraction entre la particule et le milieu dispersant pour prédire l’intensité de la lumière diffusée. Elle décrit également comment les caractéristiques d’absorption de la particule affectent la quantité de lumière qui est transmise à travers la particule et qui est soit absorbée soit réfractée. Cette capacité à prendre en compte l’impact de la réfraction de la lumière au sein de la particule est particulièrement importante pour les particules de moins de 50 micromètres de diamètre ou celles qui sont transparentes (comme les particules d’eau).

La théorie de Mie est basée sur les hypothèses suivantes :

  • les particules mesurées sont sphériques,
  • la suspension est diluée, de sorte que la lumière est diffusée par une particule et détectée avant qu’elle n’interagisse avec d’autres particules,
  • les propriétés optiques des particules et du milieu qui les entourent sont connues,
  • les particules sont homogènes.

La théorie de Fraunhofer

À la fin des années 1970, lorsque les systèmes de diffraction laser ont été introduits, la puissance de calcul limitée rendait difficile, et peu pratique, l’application rigoureuse de la théorie de Mie. L’approximation de Fraunhofer de la théorie de Mie était un modèle beaucoup plus facile à utiliser et a donc été largement adoptée à ce stade. Elle fournit une approche plus simple en supposant en plus que :

  • la taille des particules est relativement grande,
  • les particules à mesurer sont des opaques,
  • la lumière n’est diffusée qu’à des angles étroits,
  • les particules de toutes tailles diffusent la lumière avec la même efficacité,
  • la différence d’indice de réfraction entre la particule et le milieu environnant est infinie.

analyse particules diffraction laser

Quelques exemples de la diffraction dans la nature

La diffraction ne s’applique pas seulement à un rayon laser. On l’observe avec n’importe quel rayon de lumière. Des exemples de diffraction de la lumière sont visibles tous les jours dans la nature. Prenez, par exemple, l’exemple d’un nuage. Il se présente généralement sous une forme légèrement argentée. Cet effet visuel est le résultat de la courbure de la lumière du soleil autour du bord du nuage.

Les différentes couleurs parfois observées dans les nuages sont un autre exemple de lumière diffractée, cette fois par les gouttelettes d’eau des nuages. Ce phénomène s’appelle l’iridescence des nuages et s’observe le plus souvent au niveau de certains types spécifiques de nuages. Les différentes couleurs illustrent comment les ondes de différentes longueurs d’onde sont diffractées et sont dispersées.

Les anneaux de lumière qu’on observe autour du soleil et d’autres corps célestes constituent un autre exemple de diffraction de la lumière dans la nature. Ces anneaux sont dus à la diffraction des ondes lumineuses par de petites particules dans l’atmosphère.

Même la couleur bleue apparente du ciel est un exemple de diffraction de la lumière. Lorsque la lumière du soleil frappe l’atmosphère terrestre, les couleurs de plus grandes longueurs d’onde passent simplement à travers. Cependant, le bleu, qui a une longueur d’onde relativement courte, se diffracte et se disperse lors de sa collision avec les molécules de l’atmosphère.

Plus près de vous, dans votre quotidien, vous avez de nombreux exemples de la diffraction de la lumière. Les irisations qu’on observe sur un CD de musique, ou celles qu’on peut trouver à la surface d’une bulle de savon sont le résultat d’une diffraction.

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