Oui, une lumière cohérente est requise. La chose importante à réaliser est que la lumière cohérente n'est pas quelque chose qui est magiquement créé par les lasers. La lumière du soleil est quelque peu cohérente et il est facile de la rendre aussi cohérente que vous le souhaitez.

Que veulent dire les gens quand ils disent «lumière cohérente»? Eh bien, il peut s'agir de différentes choses, mais les critères pertinents dans ce contexte sont:

• La lumière se déplace plus ou moins dans la même direction ("cohérence spatiale" ou " collimation ")
• La lumière a plus ou moins la même fréquence (" cohérence temporelle "ou" monochromaticité ")

(voir note en bas de page.)

Je dis "plus ou moins" pour souligner le fait que ce n'est jamais 100% cohérent, (même à partir d'un laser), et ce n'est jamais 0% cohérent (même à partir d'une ampoule ou de la lumière du soleil)

La façon de penser est que la lumière se déplaçant vers les doubles fentes provenant d'une certaine direction (par exemple à 10 degrés de l'incidence normale) crée un très beau motif de double fente net. La lumière se déplaçant vers les doubles fentes depuis une direction différente (par exemple à 20 degrés de l'incidence normale) crée également un très beau motif de double fente net, mais décalé !

Donc si vous avez de la lumière provenant de toutes les directions entre 10 degrés et 20 degrés, vous voyez un composite flou de tous ces différents motifs à double fente . Il est possible que ce soit si flou que vous ne pouvez même pas voir qu'il y a un motif là-bas - il est simplement flou en une ligne lisse. Mais il est également possible que ce ne soit qu'un peu flou et que le motif soit toujours reconnaissable.

La raison pour laquelle il y a une boîte en carton dans la vidéo youtube est de s'assurer que toute la lumière du ciel qui atteint la fente se déplace plus ou moins dans la même direction. (Voyez-vous comment cela pourrait être fait? Prenez une boîte en carton, percez un petit trou dedans, puis placez une double fente loin du trou ... toute la lumière de la double fente arrive maintenant de la même manière direction, c'est-à-dire à partir du trou.)

La fréquence (ou la longueur d'onde) est fondamentalement la même: différentes fréquences de lumière produisent différents modèles d'interférence, et nous voyons un composite flou de tous ces différents modèles à la fois. Si plus de lumière monochromatique était utilisée (par exemple une lumière laser rouge), le motif serait beaucoup moins flou et plus facile à voir, en particulier loin du centre du motif. Heureusement, nous avons une vision des couleurs, donc nous pouvons (dans une certaine mesure) reconnaître le motif composite pour ce qu'il est - nous voyons des arcs-en-ciel près du centre, pas seulement un flou.

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Note de bas de page: Dans les commentaires, les gens se plaignent que le terme «lumière cohérente» devrait se référer uniquement à la cohérence spatiale et non à la cohérence temporelle. Je ne suis pas d'accord: le terme peut désigner l'un ou l'autre de ces éléments, selon le contexte. Par exemple, dans le contexte de la tomographie par cohérence optique, ou dans le contexte de la "longueur de cohérence", ou dans le contexte des interféromètres de Michelson, les gens utilisent couramment l'expression "lumière cohérente" pour signifier la cohérence temporelle.

«Les interférences ne sont observées que lorsque la lumière des fentes est cohérente» (en passant, la lumière cohérente est définie comme ayant tous les photons dans la même phase, pas seulement à peu près la même longueur d'onde et la même direction, comme une réponse semble ici suggérer.) La déclaration peut être contestée pour trois raisons:

1. Expérience. L'expérience de la double fente de Young est antérieure au laser. La lumière d'une lampe à incandescence produit un motif d'interférence satisfaisant, à condition qu'il soit approximativement monochromatique, et à condition qu'il soit presque parallèle. Il est simple de reproduire l'expérience, sans avoir besoin d'un laser.
2. Théorie. Je cite le grand physicien Paul Dirac (Les principes de la mécanique quantique, Oxford Science Publications, quatrième édition, p 9) «Si les deux composants sont maintenant amenés à interférer, nous devrions avoir besoin d'un photon dans un composant pour pouvoir interférer avec un dans l'autre. Parfois, ces deux photons devraient s'annihiler et parfois ils devraient produire quatre photons. Cela contredirait la conservation de l'énergie. La nouvelle théorie, qui relie la fonction d'onde aux probabilités pour un photon, surmonte la difficulté en faisant entrer chaque photon en partie dans chacune des deux composantes. Chaque photon n'interfère alors qu'avec lui-même. L'interférence entre deux photons différents ne se produit jamais. »
3. Plus d'expérience. Cette dernière affirmation a été testée expérimentalement en réalisant l'expérience de double fente avec un film photographique et une lumière de très faible intensité. L'intensité est si faible que les photons traversent l'appareil effectivement un par un, avec l'intervalle moyen entre deux photons émis beaucoup plus grand que le temps nécessaire pour traverser l'appareil, de sorte que la probabilité que deux photons se rencontrent ”Au niveau des fentes, bien que différent de zéro, est très petit. Le motif d'interférence qui s'accumule sur le film est exactement le même que lorsque la lumière à haute intensité est utilisée.

Il a été avancé que la lumière provenant, par exemple, d'une lampe à incandescence passe généralement à travers une seule fente étroite (ainsi qu'un filtre de couleur) avant d'arriver aux doubles fentes. Sans ce «cohérent», le diagramme d'interférence n'est pas observé. Bien qu'expérimentalement vraie, l'explication est erronée. Deux photons incohérents arrivant à cette fente ne deviennent pas soudainement cohérents car ils passent à travers un petit trou ensemble.

Le tout est résolu comme suit: A. La lumière pour l'expérience à double fente doit être presque monochromatique afin que la séparation des franges soit à peu près la même pour tous les photons, sinon les motifs d'interférence formeront un fouillis aveugle. La lumière pour l'expérience de double fente doit être presque unidirectionnelle (parallèle), sinon les motifs d'interférence formés dans toutes les directions légèrement différentes derrière les deux fentes formeront un fouillis aveugle.

Ces deux conditions peuvent être remplies en passant la lumière d'une lampe à incandescence à travers un filtre de couleur et un petit trou, ou en utilisant un laser. Le fait que la lumière laser soit également cohérente n'a pas d'importance.

Voici l'expérience originale de Young avec la lumière (après avoir étudié les vagues)

Le premier écran génère une source ponctuelle, donc comme pour créer une vague cohérente. S'il s'agit d'un trou d'épingle, la géométrie garantit que tous les photons proviennent de la même minuscule source de lumière d'origine. Belle illustration ici, page 5. Cohérente signifie que les phases décrivant la forme mathématique de l'onde ne sont pas aléatoires.

Dans la vidéo ci-dessus, les fentes doivent être suffisamment étroites et la distance entre eux assez petits pour que le front d'onde qui leur arrive soit similaire à un front d'onde de source ponctuelle.Dans tous les cas, le motif d'interférence est en quelque sorte flou en raison des nombreuses fréquences.

Si la source est éloignée, la lumière acquiert un certain degré de cohérence. Jetez un œil au théorème de Van Cittert – Zernike, comme indiqué dans wikipedia:

[...] le front d'onde d'une source incohérente apparaîtra globalement cohérent distances

Les franges résultantes sont différentes pour différentes couleurs, mais n'importe quelle couleur est maximale pour une direction directe. Ainsi, vous voyez la tache lumineuse au centre.

Ensuite, les longueurs d'onde auxquelles nos yeux sont sensibles ne sont pas très différentes pour cette expérience. En d'autres termes, vous pouvez choisir une distance entre les fentes de telle sorte que la longueur d'onde / distance soit approximativement la même pour toutes les fréquences auxquelles votre œil est sensible (du rouge au bleu), c'est-à-dire que vous choisissez une grande distance. Ensuite, toutes les fréquences entre le rouge et le bleu culmineront approximativement à la même position. Le bleu culminera légèrement avant le rouge. Sur la figure, vous voyez en effet les franges qui se chevauchent données par la fréquence la plus élevée que vous pouvez voir avec vos yeux (lumière bleue) et la plus basse (lumière rouge) peu de temps après.

Ceci est possible parce que le motif que vous voyez est fait de lumière cohérente.La source de la lumière cohérente est le trou.Chaque couleur frappe l'écran là où elle est censée le faire.Si vous n'aviez qu'une seule couleur, vous remarqueriez le motif répété et il serait plus facile de se rendre compte qu'il est cohérent.Si vous regardez de près, vous verrez où les couleurs se répètent encore et encore.

Cette réponse relève du domaine de l'électrodynamique classique. Pour une description quantique, regardez la réponse de Bill Dixon.

Voyons d'abord quand un motif d'interférence se produit. Sur l'écran, l'intensité de la lumière est donnée par le champ résultant qui est la somme (à grande approximation) de deux champs. Un de chaque fente. En supposant une intensité lumineuse égale des deux fentes, le facteur déterminant pour l'intensité à l'écran est la différence phase entre les deux champs.

Pour assurer un diagramme d'interférence stable, il suffit de s'assurer que la différence de phase entre les champs des deux fentes de l'écran reste fixe. C'est facile à garantir. Si le champ avant de passer à travers les fentes est une onde plane, alors la différence de phase est fixée en tous les points de l'écran.

Pour obtenir des ondes planes (approximativement) on utilise un trou d'épingle suffisamment loin avant la double fente qui fait office de collimateur. Enfin, vous verrez un chevauchement de $ N $ motif à double fente pour chacun des $ N $ différentes fréquences présentes.

Newton et Young n'avaient pas de lumière cohérente, ils travaillaient avec de la lumière blanche et voyaient des franges de couleur. Mais il y a une deuxième condition. La dimension de la source lumineuse doit être très petite ou la source doit être à une grande distance (par rapport à sa dimension). Dans ce cas, les photons se propagent parallèlement les uns aux autres et ne se chevauchent pas sur l'écran d'observation.

Les équations suivantes prédisent la différence de phase entre les sources lumineuses, lorsque la lumière atteint un écran.Ces équations supposent une lumière cohérente.En d'autres termes, les photons ont la même phase lorsque les photons quittent la fente.

Interférence constructive: d sin θ = mλ

Interférence destructrice: d sin θ = (m + 1/2) λ Pour m = 0, 1, -1, 2, -2,… et d = distance entre les fentes.

Le respect de ces équations (un motif d'interférence propre) peut indiquer un rapport lumière cohérente / lumière aléatoire élevé.