La diffusion est le phénomène par lequel un faisceau de rayonnement (lumineux, acoustique, neutronique, rayons X, etc.) est dévié dans de multiples directions (on peut parler d'" éparpillement "). La polarisation du rayonnement incident est en général modifiée suite à la diffusion.
La diffusion peut avoir lieu à la rencontre d'une interface entre deux milieux (dioptre), ou à la traversée d'un milieu (cas de la décomposition de la lumière par un prisme ou effet de l'arc-en-ciel). Ce processus est le plus souvent " élastique ", c'est-à-dire qu'il a lieu sans changement de fréquence des rayonnements composant le faisceau.
Le cas le plus souvent rencontré et le plus étudié est celui de la diffusion des ondes électromagnétiques. La diffusion de la lumière ou encore d'ondes radio (fonctionnement du radar) sont des exemples courants de ce principe.
Le phénomène de diffusion peut également se produire quand une onde radio (radio, TV,...) rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas de couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface d'obstacles (falaises, forêts, constructions...) pour les ondes ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de mégahertz). Comme en optique, la diffusion dépend du rapport entre la longueur d'onde et les dimensions des obstables ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences) ou des zones ionisées lors d'aurores polaires.
Une onde électromagnétique, ou onde lumineuse peut subir des diffusions très variées :
On parle de diffusion élastique lorsqu'il n'y a pas (ou très peu) de changement d'énergie entre la radiation avant et après diffusion.
La diffusion inélastique a donc lieu si il y a changement de la longueur d'onde entre le faisceau incident et le faisceau émis.
De manière générale, les effets de diffusion sont extrêmement rapides, et ont lieu pour de larges bandes spectrales. La fluorescence n'est donc pas apparentée à la diffusion puisqu'il s'agit d'un phénomène inélastique qui intervient pour une longueur d'onde très précise (effet de résonance) et dont le temps caractéristique est beaucoup plus long (typiquement de l'ordre de la microseconde).
On distingue généralement trois régimes de diffusion, selon la taille caractéristique des éléments diffuseurs par rapport à la longueur d'onde considérée :
La diffusion est ainsi, avec l'absorption, la principale cause de l'affaiblissement de la lumière lors de sa propagation. Lors d'une réflexion, la diffusion atténue la réflexion spéculaire de la lumière, tandis qu'elle provoque une ouverture angulaire des faisceaux.
La compréhension des phénomènes de diffusion est très importante notamment pour le secteur médical : imagerie médicale, détection de tumeurs, etc. On peut également envisager des applications militaires (détection de tanks dans une jungle humide, etc.). Enfin, plusieurs techniques de spectroscopie et spectromérie utilisent les principes de la diffusion.