Optique

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L'optique comprend l'étude de la dispersion de la lumière.

L'optique est la branche de la physique qui étudie le comportement et les propriétés de la lumière , y compris ses interactions avec la matière et la construction d' instruments qui l'utilisent ou la détectent . [1] L' optique décrit généralement le comportement de la lumière visible , ultraviolette et infrarouge . La lumière étant une onde électromagnétique , d'autres formes de rayonnement électromagnétique telles que les rayons X , les micro - ondes et les ondes radio présentent des propriétés similaires. [1]

La plupart des phénomènes optiques peuvent être expliqués en utilisant la description électromagnétique classique de la lumière. Les descriptions électromagnétiques complètes de la lumière sont cependant souvent difficiles à appliquer dans la pratique. L'optique pratique est généralement réalisée à l'aide de modèles simplifiés. La plus courante de celles-ci, l'optique géométrique , traite la lumière comme une collection de rayons qui se déplacent en lignes droites et se courbent lorsqu'ils traversent ou se réfléchissent sur des surfaces. L'optique physique est un modèle de lumière plus complet, qui comprend des effets d' ondes tels que la diffraction et les interférencescela ne peut pas être pris en compte dans l'optique géométrique. Historiquement, le modèle de lumière basé sur les rayons a été développé en premier, suivi du modèle d'onde de la lumière. Les progrès de la théorie électromagnétique au 19e siècle ont conduit à la découverte que les ondes lumineuses étaient en fait un rayonnement électromagnétique.

Certains phénomènes dépendent du fait que la lumière a à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires . L'explication de ces effets nécessite la mécanique quantique . Lorsque l'on considère les propriétés de particules de la lumière, la lumière est modélisée comme une collection de particules appelées « photons ». L'optique quantique traite de l'application de la mécanique quantique aux systèmes optiques.

La science optique est pertinente et étudiée dans de nombreuses disciplines connexes, notamment l' astronomie , divers domaines de l' ingénierie , la photographie et la médecine (en particulier l' ophtalmologie et l' optométrie ). Les applications pratiques de l'optique se trouvent dans une variété de technologies et d'objets du quotidien, y compris les miroirs , les lentilles , les télescopes , les microscopes , les lasers et les fibres optiques .

Histoire [ modifier ]

La lentille Nimrud

L'optique a commencé avec le développement de lentilles par les anciens Egyptiens et Mésopotamiens . Les premières lentilles connues, en cristal poli, souvent en quartz , datent de 2000 avant JC de Crète (Musée archéologique d'Héraclion, Grèce). Les objectifs de Rhodes datent d'environ 700 avant JC, tout comme les objectifs assyriens tels que l' objectif Nimrud . [2] Les anciens Romains et Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour fabriquer des lentilles. Ces développements pratiques ont été suivis par le développement de théories de la lumière et de la vision par les anciens Grecs et Indiens.philosophes, et le développement de l'optique géométrique dans le monde gréco-romain . Le mot optique vient du mot grec ancien ὀπτική ( optikē ), qui signifie «apparence, regard». [3]

La philosophie grecque de l'optique s'est décomposée en deux théories opposées sur le fonctionnement de la vision, la théorie de l' intromission et la théorie de l' émission . [4] L'approche d'intromission a vu la vision comme provenant d'objets rejetant des copies d'eux-mêmes (appelés eidola) qui ont été capturés par l'œil. Avec de nombreux propagateurs dont Démocrite , Épicure , Aristote et leurs adeptes, cette théorie semble avoir un contact avec les théories modernes de ce qu'est réellement la vision, mais il ne restait que des spéculations dépourvues de toute base expérimentale.

Platon a d' abord articulé la théorie de l'émission, l'idée que la perception visuelle est accomplie par les rayons émis par les yeux. Il a également commenté l' inversion de parité des miroirs à Timée . [5] Quelques centaines d'années plus tard, Euclide (4ème-3ème siècle avant JC) a écrit un traité intitulé Optique où il a lié la vision à la géométrie , créant l'optique géométrique . [6] Il a basé son travail sur la théorie d'émission de Platon dans laquelle il a décrit les règles mathématiques de la perspective et décrit les effets de la réfractionqualitativement, bien qu'il se soit demandé qu'un faisceau de lumière de l'œil puisse instantanément éclairer les étoiles à chaque fois que quelqu'un clignait des yeux. [7] Euclide a énoncé le principe de la trajectoire la plus courte de la lumière et a considéré des réflexions multiples sur des miroirs plats et sphériques. Ptolémée , dans son traité d' Optique , tenait une théorie de l'extramission-intromission de la vision: les rayons (ou flux) de l'œil formaient un cône, le sommet étant à l'intérieur de l'œil et la base définissant le champ visuel. Les rayons étaient sensibles et renvoyaient à l'intellect de l'observateur des informations sur la distance et l'orientation des surfaces. Il a résumé une grande partie d'Euclide et a ensuite décrit un moyen de mesurer l' angle de réfraction, bien qu'il n'ait pas remarqué la relation empirique entre elle et l'angle d'incidence. [8] Plutarque (1er-2ème siècle après JC) a décrit de multiples réflexions sur des miroirs sphériques et a discuté de la création d'images agrandies et réduites, à la fois réelles et imaginaires, y compris le cas de la chiralité des images.

Alhazen (Ibn al-Haytham), "le père de l'optique" [9]
Reproduction d'une page du manuscrit d' Ibn Sahl montrant sa connaissance de la loi de la réfraction .

Au Moyen Âge , les idées grecques sur l'optique ont été ressuscitées et étendues par les écrivains du monde musulman . L'un des premiers d'entre eux fut Al-Kindi (vers 801–873) qui écrivit sur les mérites des idées aristotéliciennes et euclidiennes de l'optique, favorisant la théorie des émissions car elle pouvait mieux quantifier les phénomènes optiques. [10] En 984, le mathématicien persan Ibn Sahl a écrit le traité "Sur la combustion des miroirs et des lentilles", décrivant correctement une loi de réfraction équivalente à la loi de Snell. [11] Il a utilisé cette loi pour calculer des formes optimales pour les lentilles et les miroirs incurvés . Au début du 11ème siècle, Alhazen (Ibn al-Haytham) a écrit le Livre de l'optique( Kitab al-manazir ) dans lequel il a exploré la réflexion et la réfraction et proposé un nouveau système pour expliquer la vision et la lumière basé sur l'observation et l'expérience. [12] [13] [14] [15] [16] Il a rejeté la "théorie d'émission" de l'optique ptolémaïque avec ses rayons émis par l'œil et a plutôt avancé l'idée que la lumière se reflétait dans toutes les directions en lignes droites de tous les points des objets observés puis pénétrés dans l'œil, bien qu'il n'ait pas été en mesure d'expliquer correctement comment l'œil captait les rayons. [17] Le travail d'Alhazen a été largement ignoré dans le monde arabe mais il a été anonymement traduit en latin vers 1200 après JC et plus loin résumé et développé par le moine polonais Witelo[18] en faisant un texte standard sur l'optique en Europe pour les 400 prochaines années. [19]

Au 13ème siècle dans l'Europe médiévale, l'évêque anglais Robert Grosseteste a écrit sur un large éventail de sujets scientifiques, et a discuté de la lumière à partir de quatre perspectives différentes: une épistémologie de la lumière, une métaphysique ou cosmogonie de la lumière, une étiologie ou physique de la lumière, et un théologie de la lumière, [20] en se basant sur les œuvres d'Aristote et le platonisme. Le disciple le plus célèbre de Grosseteste, Roger Bacon , a écrit des œuvres citant un large éventail d'œuvres optiques et philosophiques récemment traduites, y compris celles d'Alhazen, Aristote, Avicenne , Averroès , Euclid, al-Kindi, Ptolémée, Tideus etConstantin l'Africain . Bacon a pu utiliser des parties de sphères de verre comme loupes pour démontrer que la lumière se reflète sur les objets plutôt que d'en être libérée.

Les premières lunettes portables ont été inventées en Italie vers 1286. [21] Ce fut le début de l'industrie optique du meulage et du polissage des verres pour ces "lunettes", d'abord à Venise et à Florence au XIIIe siècle, [22] et plus tard dans le centres de fabrication de lunettes aux Pays-Bas et en Allemagne. [23] Les fabricants de lunettes ont créé des types améliorés de lentilles pour la correction de la vision en se basant davantage sur les connaissances empiriques acquises en observant les effets des lentilles plutôt qu'en utilisant la théorie optique rudimentaire de l'époque (théorie qui, pour la plupart, ne pouvait même pas expliquer correctement comment fonctionnaient les lunettes). [24] [25]Ce développement pratique, cette maîtrise et cette expérimentation avec des lentilles ont conduit directement à l'invention du microscope optique composé vers 1595 et du télescope réfracteur en 1608, tous deux apparus dans les centres de fabrication de lunettes aux Pays-Bas. [26] [27]

Le premier traité sur l'optique de Johannes Kepler , Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604)

Au début du 17e siècle, Johannes Kepler a développé l'optique géométrique dans ses écrits, couvrant les lentilles, la réflexion par des miroirs plats et incurvés, les principes des caméras à sténopé , la loi du carré inverse régissant l'intensité de la lumière et les explications optiques des phénomènes astronomiques tels comme éclipses lunaires et solaires et parallaxe astronomique . Il a également pu déduire correctement le rôle de la rétine en tant qu'organe réel qui enregistrait les images, pouvant enfin quantifier scientifiquement les effets de différents types de lentilles que les fabricants de lunettes avaient observés au cours des 300 dernières années. [28]Après l'invention du télescope, Kepler a établi les bases théoriques de leur fonctionnement et décrit une version améliorée, connue sous le nom de télescope képlérien , utilisant deux lentilles convexes pour produire un grossissement plus élevé. [29]

Couverture de la première édition de Newton's Opticks (1704)

La théorie optique a progressé au milieu du XVIIe siècle avec des traités écrits par le philosophe René Descartes , qui expliquaient une variété de phénomènes optiques, y compris la réflexion et la réfraction en supposant que la lumière était émise par les objets qui la produisaient. [30] Cela différait substantiellement de l'ancienne théorie grecque des émissions. À la fin des années 1660 et au début des années 1670, Isaac Newton a développé les idées de Descartes dans une théorie corpuscule de la lumière , déterminant que la lumière blanche était un mélange de couleurs qui peuvent être séparées en ses composants avec un prisme . En 1690, Christiaan Huygens proposa une théorie des vaguespour la lumière basée sur des suggestions qui avaient été faites par Robert Hooke en 1664. Hooke lui-même a critiqué publiquement les théories de Newton sur la lumière et la querelle entre les deux a duré jusqu'à la mort de Hooke. En 1704, Newton publie Opticks et, à l'époque, en partie à cause de son succès dans d'autres domaines de la physique, il est généralement considéré comme le vainqueur du débat sur la nature de la lumière. [30]

L'optique newtonienne a été généralement acceptée jusqu'au début du 19e siècle, lorsque Thomas Young et Augustin-Jean Fresnel ont mené des expériences sur l' interférence de la lumière qui a fermement établi la nature ondulatoire de la lumière. La célèbre expérience de double fente de Young a montré que la lumière suivait le principe de superposition , qui est une propriété ondulatoire non prédite par la théorie des corpuscules de Newton. Ces travaux ont débouché sur une théorie de la diffraction de la lumière et ouvert tout un domaine d'étude en optique physique. [31] L' optique de vague a été avec succès unifiée avec la théorie électromagnétique par James Clerk Maxwell dans les années 1860. [32]

Le développement suivant de la théorie optique a eu lieu en 1899 lorsque Max Planck a correctement modélisé le rayonnement du corps noir en supposant que l'échange d'énergie entre la lumière et la matière ne se produisait qu'en quantités discrètes qu'il appelait quanta . [33] En 1905, Albert Einstein a publié la théorie de l' effet photoélectrique qui a fermement établi la quantification de la lumière elle-même. [34] [35] En 1913, Niels Bohr a montré que les atomes ne pouvaient émettre que des quantités discrètes d'énergie, expliquant ainsi les raies discrètes vues dans les spectres d' émission et d' absorption . [36]La compréhension de l'interaction entre la lumière et la matière qui a résulté de ces développements a non seulement formé la base de l'optique quantique, mais a également été cruciale pour le développement de la mécanique quantique dans son ensemble. Le point culminant ultime, la théorie de l'électrodynamique quantique , explique tous les processus optiques et électromagnétiques en général comme le résultat de l'échange de photons réels et virtuels . [37] L'optique quantique a acquis une importance pratique avec les inventions du maser en 1953 et du laser en 1960. [38]

À la suite des travaux de Paul Dirac en théorie quantique des champs , George Sudarshan , Roy J.Glauber et Leonard Mandel ont appliqué la théorie quantique au champ électromagnétique dans les années 1950 et 1960 pour acquérir une compréhension plus détaillée de la photodétection et des statistiques de la lumière.

Optique classique [ modifier ]

L'optique classique se divise en deux branches principales: l'optique géométrique (ou à rayons) et l'optique physique (ou ondulatoire). Dans l'optique géométrique, la lumière est considérée comme se déplaçant en lignes droites, tandis que dans l'optique physique, la lumière est considérée comme une onde électromagnétique.

L'optique géométrique peut être considérée comme une approximation de l'optique physique qui s'applique lorsque la longueur d'onde de la lumière utilisée est beaucoup plus petite que la taille des éléments optiques dans le système modélisé.

Optique Géométrique [ modifier ]

Géométrie de réflexion et de réfraction des rayons lumineux

L'optique géométrique , ou optique à rayons , décrit la propagation de la lumière en termes de «rayons» qui se déplacent en lignes droites, et dont les trajets sont régis par les lois de la réflexion et de la réfraction aux interfaces entre différents milieux. [39] Ces lois ont été découvertes empiriquement dès 984 après JC [11] et ont été utilisées dans la conception de composants optiques et d'instruments depuis lors jusqu'à nos jours. Ils peuvent être résumés comme suit:

Lorsqu'un rayon de lumière atteint la limite entre deux matériaux transparents, il est divisé en un rayon réfléchi et un rayon réfracté.

La loi de réflexion dit que le rayon réfléchi se situe dans le plan d'incidence et que l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence.
La loi de la réfraction dit que le rayon réfracté se situe dans le plan d'incidence, et le sinus de l'angle d'incidence divisé par le sinus de l'angle de réfraction est une constante:
,

n est une constante pour deux matériaux quelconques et une couleur de lumière donnée. Si le premier matériau est de l'air ou du vide, n est l' indice de réfraction du second matériau.

Les lois de la réflexion et de la réfraction peuvent être dérivées du principe de Fermat qui stipule que le chemin parcouru entre deux points par un rayon de lumière est le chemin qui peut être parcouru en un minimum de temps. [40]

Approximations [ modifier ]

L'optique géométrique est souvent simplifiée en faisant l' approximation paraxiale , ou "petite approximation angulaire". Le comportement mathématique devient alors linéaire, permettant de décrire des composants et des systèmes optiques par des matrices simples. Cela conduit aux techniques de l'optique gaussienne et du traçage de rayons paraxiaux , qui sont utilisées pour trouver les propriétés de base des systèmes optiques, telles que les positions et les grossissements approximatifs de l' image et des objets . [41]

Réflexions [ modifier ]

Schéma de réflexion spéculaire

Les réflexions peuvent être divisées en deux types: la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse . La réflexion spéculaire décrit la brillance de surfaces telles que les miroirs, qui réfléchissent la lumière d'une manière simple et prévisible. Cela permet de produire des images réfléchies qui peuvent être associées à un emplacement réel ( réel ) ou extrapolé ( virtuel ) dans l'espace. La réflexion diffuse décrit les matériaux non brillants, tels que le papier ou la roche. Les réflexions de ces surfaces ne peuvent être décrites que statistiquement, la répartition exacte de la lumière réfléchie dépendant de la structure microscopique du matériau. De nombreux réflecteurs diffus sont décrits ou peuvent être approximés par la loi du cosinus de Lambert, qui décrit les surfaces qui ont une luminance égale lorsqu'elles sont vues sous n'importe quel angle. Les surfaces brillantes peuvent donner une réflexion à la fois spéculaire et diffuse.

En réflexion spéculaire, la direction du rayon réfléchi est déterminée par l'angle que le rayon incident fait avec la normale à la surface , une ligne perpendiculaire à la surface au point où le rayon frappe. Les rayons incident et réfléchi et la normale se trouvent dans un seul plan, et l'angle entre le rayon réfléchi et la normale de surface est le même que celui entre le rayon incident et la normale. [42] C'est ce qu'on appelle la loi de la réflexion .

Pour les miroirs plats , la loi de réflexion implique que les images des objets soient droites et à la même distance derrière le miroir que les objets devant le miroir. La taille de l'image est la même que la taille de l'objet. La loi implique également que les images miroir sont inversées en parité, ce que nous percevons comme une inversion gauche-droite. Les images formées par réflexion dans deux (ou un nombre pair de) miroirs ne sont pas inversées en parité. Les réflecteurs d'angle produisent des rayons réfléchis qui reviennent dans la direction d'où proviennent les rayons incidents. [42] C'est ce qu'on appelle la rétroréflexion .

Les miroirs à surfaces courbes peuvent être modélisés par lancer de rayons et en utilisant la loi de réflexion en chaque point de la surface. Pour les miroirs à surfaces paraboliques , les rayons parallèles incidents sur le miroir produisent des rayons réfléchis qui convergent vers un foyer commun . D'autres surfaces courbes peuvent également focaliser la lumière, mais avec des aberrations dues à la forme divergente provoquant un étalement du foyer dans l'espace. En particulier, les miroirs sphériques présentent une aberration sphérique . Les miroirs courbes peuvent former des images avec un grossissement supérieur ou inférieur à un, et le grossissement peut être négatif, indiquant que l'image est inversée. Une image verticale formée par réflexion dans un miroir est toujours virtuelle, tandis qu'une image inversée est réelle et peut être projetée sur un écran. [42]

Réfractions [ modifier ]

Illustration de la loi de Snell pour le cas n 1 <n 2 , comme l'interface air / eau

La réfraction se produit lorsque la lumière traverse une zone de l'espace dont l'indice de réfraction varie; ce principe permet les lentilles et la focalisation de la lumière. Le cas le plus simple de réfraction se produit lorsqu'il existe une interface entre un milieu uniforme avec un indice de réfraction et un autre milieu avec un indice de réfraction . Dans de telles situations, la loi de Snell décrit la déviation résultante du rayon lumineux:

où et sont les angles entre la normale (à l'interface) et les ondes incidente et réfractée, respectivement. [42]

L'indice de réfraction d'un milieu est lié à la vitesse, v , de la lumière dans ce milieu par

,

c est la vitesse de la lumière dans le vide .

La loi de Snell peut être utilisée pour prédire la déviation des rayons lumineux lorsqu'ils traversent des milieux linéaires tant que les indices de réfraction et la géométrie des milieux sont connus. Par exemple, la propagation de la lumière à travers un prisme entraîne la déviation du rayon lumineux en fonction de la forme et de l'orientation du prisme. Dans la plupart des matériaux, l'indice de réfraction varie avec la fréquence de la lumière. En tenant compte de cela, la loi de Snell peut être utilisée pour prédire comment un prisme dispersera la lumière dans un spectre. La découverte de ce phénomène lors du passage de la lumière à travers un prisme est attribuée à Isaac Newton. [42]

Certains milieux ont un indice de réfraction qui varie progressivement avec la position et, par conséquent, les rayons lumineux dans le milieu sont incurvés. Cet effet est responsable des mirages observés lors des journées chaudes: un changement d'indice de réfraction de l'air avec la hauteur fait plier les rayons lumineux, créant l'apparition de reflets spéculaires au loin (comme à la surface d'une flaque d'eau). Les matériaux optiques à indice de réfraction variable sont appelés matériaux à gradient d'indice (GRIN). Ces matériaux sont utilisés pour fabriquer des optiques à gradient d'indice . [43]

Pour les rayons lumineux passant d'un matériau à indice de réfraction élevé à un matériau à faible indice de réfraction, la loi de Snell prédit qu'il n'y a pas de quand est grand. Dans ce cas, aucune transmission n'a lieu; toute la lumière est réfléchie. Ce phénomène est appelé réflexion interne totale et permet la technologie de la fibre optique. Au fur et à mesure que la lumière se déplace le long d'une fibre optique, elle subit une réflexion interne totale permettant essentiellement aucune perte de lumière sur la longueur du câble. [42]

Objectifs [ modifier ]
Un diagramme de traçage de rayons pour une lentille convergente.

Un dispositif qui produit des rayons lumineux convergents ou divergents en raison de la réfraction est appelé lentille . Les lentilles sont caractérisées par leur distance focale : une lentille convergente a une distance focale positive, tandis qu'une lentille divergente a une distance focale négative. Une distance focale plus petite indique que l'objectif a un effet de convergence ou de divergence plus fort. La distance focale d'une simple lentille dans l'air est donnée par l' équation du fabricant de lentilles . [44]

Le lancer de rayons peut être utilisé pour montrer comment les images sont formées par une lentille. Pour une lentille mince dans l'air, l'emplacement de l'image est donné par l'équation simple

,

où est la distance de l'objet à l'objectif, est la distance de l'objectif à l'image et est la distance focale de l'objectif. Dans la convention de signe utilisée ici, les distances de l'objet et de l'image sont positives si l'objet et l'image se trouvent sur des côtés opposés de l'objectif. [44]

Les rayons parallèles entrants sont focalisés par une lentille convergente sur un point à une distance focale de la lentille, sur le côté éloigné de la lentille. C'est ce qu'on appelle le point focal arrière de l'objectif. Les rayons d'un objet à distance finie sont focalisés plus loin de l'objectif que la distance focale; plus l'objet est proche de l'objectif, plus l'image est éloignée de l'objectif.

Avec des lentilles divergentes, les rayons parallèles entrants divergent après avoir traversé la lentille, de telle sorte qu'ils semblent provenir d'un point situé à une distance focale devant la lentille. Il s'agit du point focal avant de l'objectif. Les rayons d'un objet à distance finie sont associés à une image virtuelle plus proche de l'objectif que du point focal, et du même côté de l'objectif que l'objet. Plus l'objet est proche de l'objectif, plus l'image virtuelle est proche de l'objectif. Comme pour les miroirs, les images verticales produites par un seul objectif sont virtuelles, tandis que les images inversées sont réelles. [42]

Les objectifs souffrent d' aberrations qui déforment les images. Les aberrations monochromatiques se produisent parce que la géométrie de la lentille ne dirige pas parfaitement les rayons de chaque point de l'objet vers un seul point de l'image, tandis que l'aberration chromatique se produit parce que l'indice de réfraction de la lentille varie avec la longueur d'onde de la lumière. [42]

Les images de lettres noires dans une lentille convexe mince de longueur focale f   sont représentées en rouge. Les rayons sélectionnés sont indiqués pour les lettres E , I et K en bleu, vert et orange, respectivement. Notez que E (en 2 f ) a une image de taille égale, réelle et inversée; I (en f ) a son image à l'infini; et Kf / 2) a une image à double taille, virtuelle et verticale.

Optique physique [ modifier ]

En optique physique, la lumière est considérée comme se propageant sous forme d'onde. Ce modèle prédit des phénomènes tels que les interférences et la diffraction, qui ne sont pas expliqués par l'optique géométrique. La vitesse des ondes lumineuses dans l' air est d'environ 3,0 × 10 8  m / s (exactement 299 792 458 m / s dans le vide ). La longueur d' onde des ondes lumineuses visibles varie entre 400 et 700 nm, mais le terme «lumière» est aussi souvent appliqué aux rayonnements infrarouges (0,7 à 300 µm) et ultraviolets (10 à 400 nm).

Le modèle d'onde peut être utilisé pour faire des prédictions sur le comportement d'un système optique sans exiger une explication de ce qui «ondule» dans quel milieu. Jusqu'au milieu du 19e siècle, la plupart des physiciens croyaient en un milieu «éthéré» dans lequel se propageait la perturbation lumineuse. [45] L'existence d'ondes électromagnétiques a été prédite en 1865 par les équations de Maxwell . Ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière et présentent des champs électriques et magnétiques variables qui sont orthogonaux entre eux, ainsi qu'à la direction de propagation des ondes. [46] Les ondes lumineuses sont maintenant généralement traitées comme des ondes électromagnétiques, sauf lorsque les effets de la mécanique quantique doivent être pris en compte.

Modélisation et conception des systèmes optiques en utilisant l' optique physique [ modifier ]

De nombreuses approximations simplifiées sont disponibles pour analyser et concevoir des systèmes optiques. La plupart d'entre eux utilisent une seule grandeur scalaire pour représenter le champ électrique de l'onde lumineuse, plutôt que d'utiliser un modèle vectoriel avec des vecteurs électriques et magnétiques orthogonaux. [47] L' équation Huygens – Fresnel est un de ces modèles. Ceci a été dérivé empiriquement par Fresnel en 1815, basé sur l'hypothèse de Huygens que chaque point sur un front d'onde génère un front d'onde sphérique secondaire, que Fresnel a combiné avec le principe de superposition des ondes. L' équation de diffraction de Kirchhoff, qui est dérivée à l'aide des équations de Maxwell, place l'équation de Huygens-Fresnel sur une base physique plus solide. Des exemples d'application du principe de Huygens – Fresnel peuvent être trouvés dans les articles sur la diffraction et la diffraction de Fraunhofer .

Des modèles plus rigoureux, impliquant la modélisation des champs électriques et magnétiques de l'onde lumineuse, sont nécessaires lorsqu'il s'agit de matériaux dont les propriétés électriques et magnétiques affectent l'interaction de la lumière avec le matériau. Par exemple, le comportement d'une onde lumineuse interagissant avec une surface métallique est assez différent de ce qui se passe lorsqu'elle interagit avec un matériau diélectrique. Un modèle vectoriel doit également être utilisé pour modéliser la lumière polarisée.

Des techniques de modélisation numérique telles que la méthode des éléments finis , la méthode des éléments de frontière et la méthode de la matrice de ligne de transmission peuvent être utilisées pour modéliser la propagation de la lumière dans des systèmes qui ne peuvent pas être résolus analytiquement. Ces modèles sont exigeants en termes de calcul et ne sont normalement utilisés que pour résoudre des problèmes à petite échelle qui nécessitent une précision au-delà de ce qui peut être obtenu avec des solutions analytiques. [48]

Tous les résultats de l'optique géométrique peuvent être récupérés en utilisant les techniques de l'optique de Fourier qui appliquent bon nombre des mêmes techniques mathématiques et analytiques utilisées dans l'ingénierie acoustique et le traitement du signal .

La propagation du faisceau gaussien est un modèle optique physique paraxial simple pour la propagation d'un rayonnement cohérent tel que les faisceaux laser. Cette technique tient partiellement compte de la diffraction, permettant des calculs précis de la vitesse à laquelle un faisceau laser se dilate avec la distance et de la taille minimale sur laquelle le faisceau peut être focalisé. La propagation du faisceau gaussien comble ainsi le fossé entre l'optique géométrique et physique. [49]

Superposition et interférences [ modifier ]

En l'absence d' effets non linéaires , le principe de superposition peut être utilisé pour prédire la forme des formes d'onde en interaction par simple addition des perturbations. [50] Cette interaction des ondes pour produire un modèle résultant est généralement appelée «interférence» et peut entraîner une variété de résultats. Si deux ondes de même longueur d'onde et fréquence sont en phase , les crêtes d'onde et les creux d'onde s'alignent. Cela se traduit par une interférence constructiveet une augmentation de l'amplitude de l'onde, qui pour la lumière est associée à un éclaircissement de la forme d'onde à cet endroit. Alternativement, si les deux ondes de même longueur d'onde et fréquence sont déphasées, les crêtes d'onde s'aligneront avec les creux d'onde et vice versa. Il en résulte des interférences destructives et une diminution de l'amplitude de l'onde, qui pour la lumière est associée à une atténuation de la forme d'onde à cet endroit. Voir ci-dessous pour une illustration de cet effet. [50]

Lorsque de l'huile ou du carburant est renversé, des motifs colorés sont formés par une interférence à couche mince.

Étant donné que le principe de Huygens-Fresnel stipule que chaque point d'un front d'onde est associé à la production d'une nouvelle perturbation, il est possible qu'un front d'onde interfère avec lui-même de manière constructive ou destructive à différents endroits, produisant des franges lumineuses et sombres selon des modèles réguliers et prévisibles. [50] L'interférométrie est la science de la mesure de ces modèles, généralement comme un moyen de faire des déterminations précises des distances ou des résolutions angulaires . [51] L' interféromètre de Michelson était un instrument célèbre qui utilisait des effets d'interférence pour mesurer avec précision la vitesse de la lumière. [52]

L'apparence des couches minces et des revêtements est directement affectée par les effets d'interférence. Revêtements antirefletutilisent des interférences destructives pour réduire la réflectivité des surfaces qu'ils recouvrent et peuvent être utilisées pour minimiser l'éblouissement et les réflexions indésirables. Le cas le plus simple est une couche unique avec une épaisseur d'un quart de la longueur d'onde de la lumière incidente. L'onde réfléchie du haut du film et l'onde réfléchie de l'interface film / matériau sont alors exactement déphasées de 180 °, provoquant des interférences destructrices. Les ondes ne sont exactement déphasées que pour une longueur d'onde, qui serait généralement choisie pour être proche du centre du spectre visible, autour de 550 nm. Des conceptions plus complexes utilisant plusieurs couches peuvent atteindre une faible réflectivité sur une large bande ou une réflectivité extrêmement faible à une seule longueur d'onde.

L'interférence constructive dans les films minces peut créer une forte réflexion de la lumière dans une gamme de longueurs d'onde, qui peut être étroite ou large selon la conception du revêtement. Ces films sont utilisés pour fabriquer des miroirs diélectriques , des filtres d'interférence , des réflecteurs de chaleur et des filtres pour la séparation des couleurs dans les caméras de télévision couleur . Cet effet d'interférence est également à l'origine des motifs arc-en-ciel colorés observés dans les nappes de pétrole. [50]

Et la résolution optique de diffraction [ modifier ]

Diffraction sur deux fentes séparées par la distance . Les franges lumineuses apparaissent le long de lignes où les lignes noires se croisent avec des lignes noires et les lignes blanches se croisent avec des lignes blanches. Ces franges sont séparées par angle et sont numérotées dans l'ordre .

La diffraction est le processus par lequel l'interférence lumineuse est le plus souvent observée. L'effet a été décrit pour la première fois en 1665 par Francesco Maria Grimaldi , qui a également inventé le terme du latin diffringere , «casser en morceaux». [53] [54] Plus tard ce siècle, Robert Hooke et Isaac Newton ont également décrit des phénomènes maintenant connus pour être la diffraction dans les anneaux de Newton [55] tandis que James Gregory a enregistré ses observations des modèles de diffraction des plumes d'oiseau. [56]

Le premier modèle de diffraction en optique physique reposant sur le principe de Huygens-Fresnel a été développé en 1803 par Thomas Young dans ses expériences d'interférence avec les diagrammes d'interférence de deux fentes étroitement espacées. Young a montré que ses résultats ne pouvaient être expliqués que si les deux fentes agissaient comme deux sources uniques d'ondes plutôt que comme des corpuscules. [57] En 1815 et 1818, Augustin-Jean Fresnel a fermement établi les mathématiques de la façon dont l'interférence d'onde peut expliquer la diffraction. [44]

Les modèles physiques de diffraction les plus simples utilisent des équations qui décrivent la séparation angulaire des franges claires et sombres en raison de la lumière d'une longueur d'onde particulière (λ). En général, l'équation prend la forme

où est la séparation entre deux sources de front d'onde (dans le cas des expériences de Young, il s'agissait de deux fentes ), est la séparation angulaire entre la frange centrale et la frange du ème ordre, où se trouve le maximum central . [58]

Cette équation est légèrement modifiée pour prendre en compte une variété de situations telles que la diffraction à travers un seul intervalle, la diffraction à travers plusieurs fentes ou la diffraction à travers un réseau de diffraction qui contient un grand nombre de fentes à espacement égal. [58] Des modèles de diffraction plus compliqués nécessitent de travailler avec les mathématiques de la diffraction de Fresnel ou de Fraunhofer. [59]

La diffraction des rayons X utilise le fait que les atomes d'un cristal ont un espacement régulier à des distances de l'ordre d'un angström . Pour voir les diagrammes de diffraction, des rayons X avec des longueurs d'onde similaires à cet espacement passent à travers le cristal. Puisque les cristaux sont des objets tridimensionnels plutôt que des réseaux bidimensionnels, le motif de diffraction associé varie dans deux directions en fonction de la réflexion de Bragg , les points lumineux associés se produisant dans des motifs uniques et étant deux fois l'espacement entre les atomes. [58]

Les effets de diffraction limitent la capacité d'un détecteur optique à résoudre optiquement des sources de lumière séparées. En général, la lumière qui passe à travers une ouverture subira une diffraction et les meilleures images qui peuvent être créées (comme décrit dans l' optique à diffraction limitée ) apparaissent comme un point central avec des anneaux lumineux environnants, séparés par des nuls sombres; ce motif est connu sous le nom de motif Airy et le lobe central lumineux sous le nom de disque Airy . [44] La taille d'un tel disque est donnée par

θ est la résolution angulaire, λ est la longueur d'onde de la lumière et D est le diamètre de l'ouverture de la lentille. Si la séparation angulaire des deux points est significativement inférieure au rayon angulaire du disque Airy, alors les deux points ne peuvent pas être résolus dans l'image, mais si leur séparation angulaire est beaucoup plus grande que cela, des images distinctes des deux points sont formées et elles peut donc être résolu. Rayleigh a défini le " critère de Rayleigh quelque peu arbitraire"que deux points dont la séparation angulaire est égale au rayon du disque Airy (mesuré au premier zéro, c'est-à-dire au premier endroit où aucune lumière n'est vue) peuvent être considérés comme résolus. On peut voir que plus le diamètre de l'objectif ou son ouverture, plus la résolution est fine. [58] L'interférométrie , avec sa capacité à imiter des ouvertures de base extrêmement grandes, permet une résolution angulaire la plus élevée possible. [51]

Pour l'imagerie astronomique, l'atmosphère empêche d'obtenir une résolution optimale dans le spectre visible en raison de la diffusion et de la dispersion atmosphériques qui provoquent le scintillement des étoiles . Les astronomes appellent cet effet la qualité de la vision astronomique . Des techniques connues sous le nom d' optique adaptative ont été utilisées pour éliminer la perturbation atmosphérique des images et obtenir des résultats qui se rapprochent de la limite de diffraction. [60]

Dispersion et diffusion [ modifier ]

Animation conceptuelle de la dispersion de la lumière à travers un prisme. La lumière haute fréquence (bleue) est la plus déviée et la basse fréquence (rouge) le moins.

Les processus de réfraction ont lieu dans la limite de l'optique physique, où la longueur d'onde de la lumière est similaire à d'autres distances, comme une sorte de diffusion. Le type de diffusion le plus simple est la diffusion Thomson qui se produit lorsque les ondes électromagnétiques sont déviées par des particules uniques. Dans la limite de la diffusion Thomson, dans laquelle la nature ondulatoire de la lumière est évidente, la lumière est dispersée indépendamment de la fréquence, contrairement à la diffusion Compton qui est dépendante de la fréquence et strictement un processus de mécanique quantique , impliquant la nature de la lumière en tant que particules. Au sens statistique, la diffusion élastique de la lumière par de nombreuses particules beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière est un processus connu sous le nom de diffusion de Rayleigh.tandis que le processus similaire de diffusion par des particules de longueur d'onde similaire ou supérieure est connu sous le nom de diffusion Mie, l' effet Tyndall étant un résultat couramment observé. Une petite proportion de la diffusion de la lumière à partir d'atomes ou de molécules peut subir une diffusion Raman , dans laquelle la fréquence change en raison de l'excitation des atomes et des molécules. La diffusion de Brillouin se produit lorsque la fréquence de la lumière change en raison des changements locaux avec le temps et des mouvements d'un matériau dense. [61]

La dispersion se produit lorsque différentes fréquences de lumière ont des vitesses de phase différentes , en raison soit des propriétés du matériau ( dispersion du matériau ), soit de la géométrie d'un guide d'ondes optique ( dispersion du guide d'ondes ). La forme de dispersion la plus connue est une diminution de l'indice de réfraction avec l'augmentation de la longueur d'onde, ce que l'on observe dans la plupart des matériaux transparents. C'est ce qu'on appelle la "dispersion normale". Il se produit dans tous les matériaux diélectriques , dans des gammes de longueurs d'onde où le matériau n'absorbe pas la lumière. [62] Dans les gammes de longueurs d'onde où un milieu a une absorption significative, l'indice de réfraction peut augmenter avec la longueur d'onde. C'est ce qu'on appelle la "dispersion anormale". [42] [62]

La séparation des couleurs par un prisme est un exemple de dispersion normale. Aux surfaces du prisme, la loi de Snell prédit que la lumière incidente à un angle θ par rapport à la normale sera réfractée à un angle arcsin (sin (θ) / n ). Ainsi, la lumière bleue, avec son indice de réfraction plus élevé, est courbée plus fortement que la lumière rouge, ce qui donne le motif arc -en- ciel bien connu . [42]

Dispersion: deux sinusoïdes se propageant à des vitesses différentes forment un motif d'interférence mobile. Le point rouge se déplace avec la vitesse de phase et les points verts se propagent avec la vitesse du groupe . Dans ce cas, la vitesse de phase est le double de la vitesse de groupe. Le point rouge dépasse deux points verts, lors du déplacement de la gauche vers la droite de la figure. En effet, les ondes individuelles (qui voyagent avec la vitesse de phase) s'échappent du paquet d'ondes (qui se déplace avec la vitesse du groupe).

La dispersion du matériau est souvent caractérisée par le nombre d'Abbe , qui donne une mesure simple de la dispersion basée sur l'indice de réfraction à trois longueurs d'onde spécifiques. La dispersion du guide d'ondes dépend de la constante de propagation . [44] Les deux types de dispersion provoquent des changements dans les caractéristiques de groupe de l'onde, les caractéristiques du paquet d'ondes qui changent avec la même fréquence que l'amplitude de l'onde électromagnétique. La "dispersion de vitesse de groupe" se manifeste par un étalement de "l'enveloppe" du signal du rayonnement et peut être quantifiée avec un paramètre de retard de dispersion de groupe:

où est la vitesse du groupe. [63] Pour un milieu uniforme, la vitesse du groupe est

n est l'indice de réfraction et c est la vitesse de la lumière dans le vide. [64] Cela donne une forme plus simple pour le paramètre de retard de dispersion:

Si D est inférieur à zéro, on dit que le milieu a une dispersion positive ou une dispersion normale. Si D est supérieur à zéro, le milieu a une dispersion négative . Si une impulsion lumineuse se propage à travers un milieu normalement dispersif, il en résulte que les composantes de fréquence plus élevée ralentissent plus que les composantes de fréquence plus basse. Le pouls devient donc positivement pépi , ou piqué à la hausse, augmentant en fréquence avec le temps. Cela fait apparaître le spectre sortant d'un prisme avec la lumière rouge la moins réfractée et la lumière bleue / violette la plus réfractée. Inversement, si une impulsion se déplace à travers un milieu anormalement dispersif (négativement), les composants haute fréquence se déplacent plus rapidement que les inférieurs, et l'impulsion devient négativement gazonnée , ou descendante , diminuant en fréquence avec le temps. [65]

Le résultat de la dispersion de vitesse de groupe, qu'elle soit négative ou positive, est finalement l'étalement temporel de l'impulsion. Cela rend la gestion de la dispersion extrêmement importante dans les systèmes de communication optique basés sur des fibres optiques , car si la dispersion est trop élevée, un groupe d'impulsions représentant des informations se répandra dans le temps et fusionnera, rendant impossible l'extraction du signal. [63]

Polarisation [ modifier ]

La polarisation est une propriété générale des ondes qui décrit l'orientation de leurs oscillations. Pour les ondes transversales telles que de nombreuses ondes électromagnétiques, il décrit l'orientation des oscillations dans le plan perpendiculaire à la direction de déplacement de l'onde. Les oscillations peuvent être orientées dans une seule direction ( polarisation linéaire ), ou la direction d'oscillation peut tourner lorsque l'onde se déplace ( polarisation circulaire ou elliptique ). Les ondes à polarisation circulaire peuvent tourner vers la droite ou vers la gauche dans le sens du déplacement, et laquelle de ces deux rotations est présente dans une onde est appelée chiralité de l'onde . [66]

La manière typique de considérer la polarisation est de garder une trace de l'orientation du vecteur de champ électrique lorsque l'onde électromagnétique se propage. Le vecteur de champ électrique d'une onde plane peut être arbitrairement divisé en deux composantes perpendiculaires étiquetées x et y (avec z indiquant la direction de déplacement). La forme tracée dans le plan xy par le vecteur champ électrique est une figure de Lissajous qui décrit l' état de polarisation . [44] Les figures suivantes montrent quelques exemples de l'évolution du vecteur champ électrique (bleu), avec le temps (les axes verticaux), en un point particulier de l'espace, avec son xet y composantes (rouge / gauche et vert / droite), et le chemin tracé par le vecteur dans le plan (violet): La même évolution se produirait en regardant le champ électrique à un moment particulier tout en faisant évoluer le point dans l'espace, le long la direction opposée à la propagation.

Linéaire
Circulaire
Polarisation elliptique

Dans la figure la plus à gauche ci-dessus, les composantes x et y de l'onde lumineuse sont en phase. Dans ce cas, le rapport de leurs forces est constant, donc la direction du vecteur électrique (la somme vectorielle de ces deux composantes) est constante. Puisque la pointe du vecteur trace une seule ligne dans le plan, ce cas particulier est appelé polarisation linéaire. La direction de cette ligne dépend des amplitudes relatives des deux composantes. [66]

Sur la figure du milieu, les deux composantes orthogonales ont les mêmes amplitudes et sont déphasées de 90 °. Dans ce cas, un composant est nul lorsque l'autre composant est à l'amplitude maximale ou minimale. Il existe deux relations de phase possibles qui satisfont à cette exigence: la composante x peut être à 90 ° devant la composante y ou elle peut être à 90 ° derrière la composante y . Dans ce cas particulier, le vecteur électrique trace un cercle dans le plan, donc cette polarisation est appelée polarisation circulaire. La direction de rotation dans le cercle dépend de laquelle des deux relations de phase existe et correspond à la polarisation circulaire droite et à la polarisation circulaire gauche . [44]

Dans tous les autres cas, où les deux composantes n'ont pas les mêmes amplitudes et / ou leur différence de phase n'est ni nulle ni multiple de 90 °, la polarisation est appelée polarisation elliptique car le vecteur électrique trace une ellipse dans le plan ( l' ellipse de polarisation ). Ceci est illustré dans la figure ci-dessus à droite. Les mathématiques détaillées de la polarisation sont effectuées à l'aide du calcul de Jones et sont caractérisées par les paramètres de Stokes . [44]

Polarisation Changement [ modifier ]

Les milieux qui ont des indices de réfraction différents pour différents modes de polarisation sont appelés biréfringents . [66] Des manifestations bien connues de cet effet apparaissent dans les plaques / ralentisseurs à ondes optiques (modes linéaires) et dans la rotation de Faraday / rotation optique (modes circulaires). [44] Si la longueur du trajet dans le milieu biréfringent est suffisante, les ondes planes sortiront du matériau avec une direction de propagation significativement différente, en raison de la réfraction. Par exemple, c'est le cas des cristaux macroscopiques de calcite, qui présentent au spectateur deux images décalées, polarisées orthogonalement de tout ce qui est vu à travers elles. C'est cet effet qui a fourni la première découverte de la polarisation, par Erasmus Bartholinus en 1669. De plus, le déphasage, et donc le changement d'état de polarisation, dépend généralement de la fréquence, ce qui, en combinaison avec le dichroïsme , donne souvent lieu à des couleurs et effets de type arc-en-ciel. En minéralogie , de telles propriétés, connues sous le nom de pléochroïsme , sont fréquemment exploitées dans le but d'identifier des minéraux à l'aide de microscopes de polarisation. De plus, de nombreux plastiques qui ne sont normalement pas biréfringents le deviendront lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique , un phénomène qui est à la base dephotoélasticité . [66] Les méthodes non biréfringentes, pour faire tourner la polarisation linéaire des faisceaux lumineux, incluent l'utilisation de rotateurs de polarisation prismatiques qui utilisent la réflexion interne totale dans un ensemble de prisme conçu pour une transmission colinéaire efficace. [67]

Un polariseur modifiant l'orientation de la lumière polarisée linéairement.
Dans cette image, θ 1 - θ 0 = θ i .

Les milieux qui réduisent l'amplitude de certains modes de polarisation sont appelés dichroïques , avec des dispositifs qui bloquent presque tout le rayonnement dans un mode connu sous le nom de filtres polarisants ou simplement de « polariseurs ». La loi de Malus, qui porte le nom d' Étienne-Louis Malus , dit que lorsqu'un polariseur parfait est placé dans un faisceau de lumière polarisé linéaire, l'intensité, I , de la lumière qui le traverse est donnée par

I 0 est l'intensité initiale,
et θ i est l'angle entre la direction de polarisation initiale de la lumière et l'axe du polariseur. [66]

Un faisceau de lumière non polarisée peut être considéré comme contenant un mélange uniforme de polarisations linéaires à tous les angles possibles. Puisque la valeur moyenne de est 1/2, le coefficient de transmission devient

En pratique, une partie de la lumière est perdue dans le polariseur et la transmission réelle de la lumière non polarisée sera quelque peu inférieure à cela, autour de 38% pour les polariseurs de type Polaroid mais considérablement plus élevée (> 49,9%) pour certains types de prisme biréfringent. [44]

En plus de la biréfringence et du dichroïsme dans les milieux étendus, des effets de polarisation peuvent également se produire à l'interface (réfléchissante) entre deux matériaux d'indice de réfraction différent. Ces effets sont traités par les équations de Fresnel . Une partie de l'onde est transmise et une partie est réfléchie, le rapport dépendant de l'angle d'incidence et de l'angle de réfraction. De cette manière, l'optique physique récupère l'angle de Brewster . [44] Lorsque la lumière se reflète d'un film mince sur une surface, l'interférence entre les réflexions des surfaces du film peut produire une polarisation dans la lumière réfléchie et transmise.

La lumière naturelle [ modifier ]
Les effets d'un filtre polarisant sur le ciel dans une photographie. La photo de gauche est prise sans polariseur. Pour l'image de droite, le filtre a été ajusté pour éliminer certaines polarisations de la lumière bleue diffusée du ciel.

La plupart des sources de rayonnement électromagnétique contiennent un grand nombre d'atomes ou de molécules qui émettent de la lumière. L'orientation des champs électriques produits par ces émetteurs peut ne pas être corrélée , auquel cas la lumière est dite non polarisée . S'il existe une corrélation partielle entre les émetteurs, la lumière est partiellement polarisée . Si la polarisation est cohérente sur tout le spectre de la source, une lumière partiellement polarisée peut être décrite comme une superposition d'un composant complètement non polarisé et d'un composant complètement polarisé. On peut alors décrire la lumière en termes de degré de polarisation , et les paramètres de l'ellipse de polarisation. [44]

La lumière réfléchie par des matériaux transparents brillants est partiellement ou entièrement polarisée, sauf lorsque la lumière est normale (perpendiculaire) à la surface. C'est cet effet qui a permis au mathématicien Étienne-Louis Malus d'effectuer les mesures qui lui ont permis de développer les premiers modèles mathématiques de la lumière polarisée. La polarisation se produit lorsque la lumière est diffusée dans l' atmosphère . La lumière diffusée produit la luminosité et la couleur dans un ciel clair . Cette polarisation partielle de la lumière diffusée peut être mise à profit en utilisant des filtres polarisants pour assombrir le ciel sur les photographies . La polarisation optique est principalement importante en chimie en raison du dichroïsme circulaire et de la rotation optique ("biréfringence circulaire ") présentée par des molécules optiquement actives ( chirales ) . [44]

Optique moderne [ modifier ]

L'optique moderne englobe les domaines de la science et de l'ingénierie optiques qui sont devenus populaires au 20e siècle. Ces domaines de la science optique concernent généralement les propriétés électromagnétiques ou quantiques de la lumière, mais incluent d'autres sujets. Un sous-domaine majeur de l'optique moderne, l'optique quantique , traite spécifiquement des propriétés mécaniques quantiques de la lumière. L'optique quantique n'est pas seulement théorique; certains appareils modernes, tels que les lasers, ont des principes de fonctionnement qui dépendent de la mécanique quantique. Les détecteurs de lumière, tels que les photomultiplicateurs et les channeltrons , répondent aux photons individuels. Les capteurs d'image électroniques , tels que les capteurs CCD , présentent un bruit de tircorrespondant aux statistiques des événements photoniques individuels. Les diodes électroluminescentes et les cellules photovoltaïques ne peuvent pas non plus être comprises sans la mécanique quantique. Dans l'étude de ces appareils, l'optique quantique chevauche souvent l'électronique quantique . [68]

Les domaines de spécialité de la recherche en optique comprennent l'étude de la façon dont la lumière interagit avec des matériaux spécifiques comme dans l' optique cristalline et les métamatériaux . D' autres recherches se concentre sur la phénoménologie des ondes électromagnétiques dans l' optique singulier , l' optique non-imagerie , l' optique non linéaire , l' optique statistiques et radiométrie . De plus, les ingénieurs en informatique se sont intéressés à l' optique intégrée , à la vision industrielle et à l' informatique photonique en tant que composants possibles de la «prochaine génération» d'ordinateurs. [69]

Aujourd'hui, la science pure de l'optique est appelée science optique ou physique optique pour la distinguer des sciences optiques appliquées, appelées génie optique . Les principaux sous-domaines de l'ingénierie optique comprennent l'ingénierie de l' éclairage , la photonique et l' optoélectronique avec des applications pratiques telles que la conception de lentilles , la fabrication et le test de composants optiques et le traitement d'image. Certains de ces domaines se chevauchent, avec des frontières nébuleuses entre les termes des sujets qui signifient des choses légèrement différentes dans différentes parties du monde et dans différents domaines de l'industrie. Une communauté professionnelle de chercheurs en optique non linéaire s'est développée au cours des dernières décennies grâce aux progrès de la technologie laser. [70]

Lasers [ modifier ]

Des expériences comme celle-ci avec des lasers à haute puissance font partie de la recherche optique moderne.

Un laser est un appareil qui émet de la lumière (rayonnement électromagnétique) via un processus appelé émission stimulée . Le terme laser est un acronyme pour Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . [71] La lumière laser est généralement spatialement cohérente , ce qui signifie que la lumière est soit émise dans un faisceau étroit à faible divergence , soit peut être convertie en un seul à l'aide de composants optiques tels que des lentilles. Parce que l'équivalent micro-ondes du laser, le maser , a été développé en premier, les appareils qui émettent des micro-ondes et des radiofréquences sont généralement appelés masers . [72]

Étoile guidée par laser du VLT . [73]

Le premier laser fonctionnel a été présenté le 16 mai 1960 par Theodore Maiman aux Hughes Research Laboratories . [74] Lorsqu'ils ont été inventés pour la première fois, ils étaient appelés «une solution à la recherche d'un problème». [75] Depuis lors, les lasers sont devenus une industrie de plusieurs milliards de dollars, trouvant leur utilité dans des milliers d'applications très variées. La première application des lasers visibles dans la vie quotidienne de la population générale a été le lecteur de codes-barres de supermarché , introduit en 1974. [76] Le lecteur laserdisc , introduit en 1978, a été le premier produit de consommation à succès à inclure un laser, mais le disque compactplayer a été le premier appareil équipé d'un laser à devenir vraiment courant dans les foyers des consommateurs, à partir de 1982. [77] Ces dispositifs de stockage optique utilisent un laser à semi - conducteur de moins d'un millimètre de large pour balayer la surface du disque à des fins de récupération des données. La communication par fibre optique repose sur des lasers pour transmettre de grandes quantités d'informations à la vitesse de la lumière. D'autres applications courantes des lasers comprennent les imprimantes laser et les pointeurs laser . Les lasers sont utilisés en médecine dans des domaines tels que la chirurgie sans effusion de sang , la chirurgie oculaire au laser et la microdissection par capture laser et dans des applications militaires telles queles systèmes de défense antimissile , les contre-mesures électro-optiques (EOCM) et le lidar . Les lasers sont également utilisés dans les hologrammes , les bubblegrammes , les spectacles de lumière laser et l' épilation au laser . [78]

Effet Kapitsa-Dirac [ modifier ]

L'effet Kapitsa – Dirac provoque la diffraction des faisceaux de particules suite à la rencontre d'une onde stationnaire de lumière. La lumière peut être utilisée pour positionner la matière à l'aide de divers phénomènes (voir pinces optiques ).

Applications [ modifier ]

L'optique fait partie de la vie quotidienne. L'omniprésence des systèmes visuels en biologie indique le rôle central que joue l'optique en tant que science de l'un des cinq sens . De nombreuses personnes bénéficient de lunettes ou de lentilles de contact , et l'optique fait partie intégrante du fonctionnement de nombreux biens de consommation, y compris les appareils photo . Les arcs-en-ciel et les mirages sont des exemples de phénomènes optiques. La communication optique constitue l'épine dorsale à la fois d' Internet et de la téléphonie moderne .

Oeil humain [ modifier ]

Modèle d'oeil humain. Les caractéristiques mentionnées dans cet article sont 1. humeur vitreuse 3. muscle ciliaire , 6. pupille , 7. chambre antérieure , 8. cornée , 10. cortex cristallin , 22. nerf optique , 26. fovéa , 30. rétine

L'œil humain fonctionne en focalisant la lumière sur une couche de cellules photoréceptrices appelée rétine, qui forme la paroi interne de l'arrière de l'œil. La mise au point est réalisée par une série de supports transparents. La lumière pénétrant dans l'œil passe d'abord par la cornée, qui fournit une grande partie de la puissance optique de l'œil. La lumière continue ensuite à travers le fluide juste derrière la cornée - la chambre antérieure , puis passe à travers la pupille . La lumière passe ensuite à travers la lentille , ce qui concentre davantage la lumière et permet le réglage de la mise au point. La lumière traverse ensuite le corps principal du fluide dans l'œil - l' humeur vitreuse, et atteint la rétine. Les cellules de la rétine tapissent l'arrière de l'œil, sauf là où le nerf optique sort; il en résulte un angle mort .

Il existe deux types de cellules photoréceptrices, les bâtonnets et les cônes, qui sont sensibles à différents aspects de la lumière. [79] Les cellules de bâtonnets sont sensibles à l'intensité de la lumière sur une large gamme de fréquences et sont donc responsables de la vision en noir et blanc . Les cellules en bâtonnets ne sont pas présentes sur la fovéa, la zone de la rétine responsable de la vision centrale, et ne sont pas aussi sensibles que les cellules coniques aux changements spatiaux et temporels de la lumière. Il y a, cependant, vingt fois plus de cellules en bâtonnets que de cellules coniques dans la rétine parce que les cellules en bâtonnets sont présentes sur une zone plus large. En raison de leur distribution plus large, les bâtonnets sont responsables de la vision périphérique . [80]

En revanche, les cellules coniques sont moins sensibles à l'intensité globale de la lumière, mais se déclinent en trois variétés qui sont sensibles à différentes gammes de fréquences et sont donc utilisées dans la perception des couleurs et la vision photopique . Les cellules coniques sont très concentrées dans la fovéa et ont une acuité visuelle élevée, ce qui signifie qu'elles sont meilleures à la résolution spatiale que les cellules en bâtonnets. Étant donné que les cellules coniques ne sont pas aussi sensibles à la lumière tamisée que les cellules en bâtonnets, la plupart de la vision nocturne est limitée aux cellules en bâtonnets. De même, étant donné que les cellules coniques se trouvent dans la fovéa, la vision centrale (y compris la vision nécessaire pour effectuer la plupart des lectures, des travaux de précision tels que la couture ou un examen attentif des objets) est effectuée par des cellules coniques. [80]

Les muscles ciliaires autour de la lentille permettent d'ajuster la mise au point de l'œil. Ce processus est connu sous le nom d' accommodement . Le point proche et le point éloigné définissent les distances les plus proches et les plus éloignées de l'œil auxquelles un objet peut être mis au point. Pour une personne ayant une vision normale, le point le plus éloigné est situé à l'infini. L'emplacement du point proche dépend de la capacité des muscles à augmenter la courbure de la lentille et de la rigidité de la lentille avec l'âge. Les optométristes , les ophtalmologistes et les opticiens considèrent généralement qu'un point proche approprié est plus proche que la distance de lecture normale - environ 25 cm. [79]

Les défauts de vision peuvent être expliqués à l'aide de principes optiques. À mesure que les gens vieillissent, la lentille devient moins flexible et le point proche s'éloigne de l'œil, une condition connue sous le nom de presbytie . De même, les personnes souffrant d' hypermétropie ne peuvent pas diminuer suffisamment la distance focale de leur lentille pour permettre aux objets proches d'être imagés sur leur rétine. À l'inverse, les personnes qui ne peuvent pas augmenter suffisamment la distance focale de leur objectif pour permettre l'imagerie d'objets distants sur la rétine souffrent de myopie et ont un point éloigné considérablement plus proche que l'infini. Une condition connue sous le nom d' astigmatismese produit lorsque la cornée n'est pas sphérique mais est plutôt courbée dans une direction. Cela provoque la focalisation des objets étendus horizontalement sur différentes parties de la rétine par rapport aux objets étendus verticalement, et entraîne des images déformées. [79]

Toutes ces conditions peuvent être corrigées à l'aide de verres correcteurs . Pour la presbytie et l'hypermétropie, une lentille convergente fournit la courbure supplémentaire nécessaire pour rapprocher le point proche de l'œil tandis que pour la myopie une lentille divergente fournit la courbure nécessaire pour envoyer le point éloigné à l'infini. L'astigmatisme est corrigé avec une lentille de surface cylindrique qui se courbe plus fortement dans une direction que dans une autre, compensant la non-uniformité de la cornée. [81]

La puissance optique des verres correcteurs est mesurée en dioptries , valeur égale à l' inverse de la distance focale mesurée en mètres; avec une distance focale positive correspondant à une lentille convergente et une distance focale négative correspondant à une lentille divergente. Pour les lentilles qui corrigent également l'astigmatisme, trois nombres sont donnés: un pour la puissance sphérique, un pour la puissance cylindrique et un pour l'angle d'orientation de l'astigmatisme. [81]

Effets visuels [ modifier ]

L'illusion de Ponzo repose sur le fait que les lignes parallèles semblent converger à mesure qu'elles approchent de l'infini.

Les illusions d'optique (également appelées illusions visuelles) sont caractérisées par des images perçues visuellement qui diffèrent de la réalité objective. Les informations recueillies par l'œil sont traitées dans le cerveau pour donner une perception différente de l'objet à imager. Les illusions d'optique peuvent être le résultat d'une variété de phénomènes, y compris des effets physiques qui créent des images différentes des objets qui les fabriquent, les effets physiologiques sur les yeux et le cerveau d'une stimulation excessive (par exemple, luminosité, inclinaison, couleur, mouvement), et illusions cognitives où l'œil et le cerveau font des inférences inconscientes . [82]

Les illusions cognitives en incluent certaines qui résultent de la mauvaise application inconsciente de certains principes optiques. Par exemple, les illusions de la salle Ames , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander et Wundt reposent toutes sur la suggestion d'apparition de distance en utilisant des lignes convergentes et divergentes, de la même manière que les rayons lumineux parallèles (ou bien tout ensemble de lignes parallèles) semblent converger vers un point de fuite à l'infini dans des images rendues en deux dimensions avec une perspective artistique. [83] Cette suggestion est également responsable de la célèbre illusion de luneoù la lune, bien qu'elle ait essentiellement la même taille angulaire, apparaît beaucoup plus grande près de l' horizon qu'elle ne le fait au zénith . [84] Cette illusion a tellement confondu Ptolémée qu'il l'a incorrectement attribuée à la réfraction atmosphérique quand il l'a décrite dans son traité, Optique . [8]

Un autre type d'illusion d'optique exploite des motifs brisés pour inciter l'esprit à percevoir des symétries ou des asymétries qui ne sont pas présentes. Les exemples incluent le mur du café , Ehrenstein , la spirale Fraser , les illusions de Poggendorff et de Zöllner . Des schémas liés, mais pas strictement illusions, se produisent en raison de la superposition de structures périodiques. Par exemple, des tissus transparents avec une structure en grille produisent des formes connues sous le nom de motifs moirés , tandis que la superposition de motifs transparents périodiques comprenant des lignes ou des courbes opaques parallèles produit des motifs moirés en ligne . [85]

Instruments optiques [ modifier ]

Illustrations de divers instruments optiques de la Cyclopédie de 1728

Les lentilles simples ont une variété d'applications, y compris les lentilles photographiques, les lentilles correctrices et les loupes, tandis que les miroirs simples sont utilisés dans les réflecteurs paraboliques et les rétroviseurs . La combinaison d'un certain nombre de miroirs, de prismes et de lentilles produit des instruments optiques composés qui ont des utilisations pratiques. Par exemple, un périscope est simplement composé de deux miroirs plans alignés pour permettre de voir autour des obstructions. Les instruments optiques composés les plus célèbres de la science sont le microscope et le télescope qui ont tous deux été inventés par les Néerlandais à la fin du XVIe siècle. [86]

Les microscopes ont d'abord été développés avec seulement deux lentilles: une lentille d'objectif et un oculaire . L'objectif est essentiellement une loupe et a été conçu avec une très petite distance focale tandis que l'oculaire a généralement une distance focale plus longue. Cela a pour effet de produire des images agrandies d'objets proches. En général, une source d'éclairage supplémentaire est utilisée car les images agrandies sont plus sombres en raison de la conservation de l'énergie et de la diffusion des rayons lumineux sur une plus grande surface. Les microscopes modernes, connus sous le nom de microscopes composés, comportent de nombreuses lentilles (généralement quatre) pour optimiser la fonctionnalité et améliorer la stabilité de l'image. [86] Une variété légèrement différente de microscope, lemicroscope de comparaison , regarde des images côte à côte pour produire une vue binoculaire stéréoscopique qui apparaît en trois dimensions lorsqu'elle est utilisée par des humains. [87]

Les premiers télescopes, appelés télescopes réfractaires, ont également été développés avec un seul objectif et oculaire. Contrairement au microscope, l'objectif du télescope a été conçu avec une grande distance focale pour éviter les aberrations optiques. L'objectif focalise une image d'un objet éloigné à son point focal qui est ajusté pour être au point focal d'un oculaire d'une distance focale beaucoup plus petite. L'objectif principal d'un télescope n'est pas nécessairement le grossissement, mais plutôt la collecte de lumière qui est déterminée par la taille physique de l'objectif. Ainsi, les télescopes sont normalement indiqués par les diamètres de leurs objectifs plutôt que par le grossissement qui peut être modifié en changeant d'oculaires. Parce que le grossissement d'un télescope est égal à la distance focale de l'objectif divisée par la distance focale de l'oculaire,des oculaires de plus petite distance focale provoquent un plus grand grossissement.[86]

Comme la fabrication de grandes lentilles est beaucoup plus difficile que la fabrication de grands miroirs, la plupart des télescopes modernes sont des télescopes à réflexion , c'est-à-dire des télescopes qui utilisent un miroir principal plutôt qu'une lentille d'objectif. Les mêmes considérations optiques générales s'appliquent aux télescopes réfléchissants qui s'appliquaient aux télescopes réfractants, à savoir, plus le miroir primaire est grand, plus la lumière collectée est importante et le grossissement est toujours égal à la distance focale du miroir primaire divisée par la distance focale de l'oculaire. . Les télescopes professionnels n'ont généralement pas d'oculaires et placent plutôt un instrument (souvent un dispositif à couplage de charge) au point focal. [86]

Photographie [ modifier ]

Photographie prise avec une ouverture f / 32
Photographie prise avec une ouverture f / 5

L'optique de la photographie implique à la fois les objectifs et le support dans lequel le rayonnement électromagnétique est enregistré, qu'il s'agisse d'une plaque , d'un film ou d'un dispositif à couplage de charge. Les photographes doivent tenir compte de la réciprocité de la caméra et de la prise de vue qui se résume par la relation

Exposition ∝ Zone d'ouverture × Durée d'exposition × Luminosité de la scène [88]

En d'autres termes, plus l'ouverture est petite (donnant une plus grande profondeur de mise au point), moins la lumière entre, donc la durée doit être augmentée (conduisant à un possible flou en cas de mouvement). Un exemple d'utilisation de la loi de réciprocité est la règle Sunny 16 qui donne une estimation approximative des réglages nécessaires pour estimer l' exposition correcte à la lumière du jour. [89]

L'ouverture d'un appareil photo est mesurée par un nombre sans unité appelé nombre f ou diaphragme , f / #, souvent noté et donné par

où est la distance focale et est le diamètre de la pupille d'entrée. Par convention, " f / #" est traité comme un symbole unique et des valeurs spécifiques de f / # sont écrites en remplaçant le signe dièse par la valeur. Les deux façons d'augmenter le diaphragme sont soit de diminuer le diamètre de la pupille d'entrée, soit de passer à une distance focale plus longue (dans le cas d'un zoom , cela peut être fait en ajustant simplement l'objectif). Des nombres f plus élevés ont également une plus grande profondeur de champ en raison de l'approche de l'objectif de la limite d'un appareil photo à sténopé qui est capable de mettre au point toutes les images parfaitement, quelle que soit la distance, mais nécessite des temps d'exposition très longs. [90]

Le champ de vision que l'objectif fournira change avec la distance focale de l'objectif. Il existe trois classifications de base basées sur la relation entre la taille diagonale du film ou la taille du capteur de l'appareil photo et la distance focale de l'objectif: [91]

  • Objectif normal : angle de vue d'environ 50 ° (dit normal car cet angle est considéré à peu près équivalent à la vision humaine [91] ) et une distance focale à peu près égale à la diagonale du film ou du capteur. [92]
  • Objectif grand angle : angle de vue plus large que 60 ° et distance focale plus courte qu'un objectif normal. [93]
  • Objectif à mise au point longue : angle de vue plus étroit qu'un objectif normal. Il s'agit de tout objectif dont la distance focale est plus longue que la mesure diagonale du film ou du capteur. [94] Le type le plus courant d'objectif à longue focale est le téléobjectif , une conception qui utilise un groupe téléobjectif spécial pour être physiquement plus court que sa distance focale. [95]

Les zooms modernes peuvent avoir certains ou tous ces attributs.

La valeur absolue du temps d'exposition requis dépend de la sensibilité à la lumière du support utilisé (mesurée par la vitesse du film ou, pour les supports numériques, par l' efficacité quantique ). [96] Les premières photographies utilisaient des supports qui avaient une très faible sensibilité à la lumière, et donc les temps d'exposition devaient être longs même pour des prises de vue très lumineuses. Au fur et à mesure que la technologie s'est améliorée, la sensibilité des caméras à pellicule et des appareils photo numériques s'est également améliorée. [97]

D'autres résultats de l'optique physique et géométrique s'appliquent à l'optique des caméras. Par exemple, la capacité de résolution maximale d'un montage de caméra particulier est déterminée par la limite de diffraction associée à la taille de la pupille et donnée, en gros, par le critère de Rayleigh. [98]

Optique atmosphérique [ modifier ]

Un ciel coloré est souvent dû à la dispersion de la lumière sur les particules et à la pollution, comme sur cette photographie d'un coucher de soleil pendant les incendies d'octobre 2007 en Californie .

Les propriétés optiques uniques de l'atmosphère provoquent un large éventail de phénomènes optiques spectaculaires. La couleur bleue du ciel est le résultat direct de la diffusion Rayleigh qui redirige la lumière du soleil à plus haute fréquence (bleue) dans le champ de vision de l'observateur. Parce que la lumière bleue se diffuse plus facilement que la lumière rouge, le soleil prend une teinte rougeâtre lorsqu'il est observé à travers une atmosphère épaisse, comme lors d'un lever ou d'un coucher de soleil . Des particules supplémentaires dans le ciel peuvent disperser différentes couleurs à différents angles, créant un ciel lumineux et coloré au crépuscule et à l'aube. La dispersion des cristaux de glace et d'autres particules dans l'atmosphère est responsable des halos , des rémanences , des coronas ,rayons de soleil et chiens de soleil . La variation de ces types de phénomènes est due à des tailles et des géométries de particules différentes. [99]

Les mirages sont des phénomènes optiques dans lesquels les rayons lumineux sont courbés en raison des variations thermiques de l'indice de réfraction de l'air, produisant des images déplacées ou fortement déformées d'objets éloignés. D'autres phénomènes optiques spectaculaires associés à cela incluent l' effet Novaya Zemlya où le soleil semble se lever plus tôt que prévu avec une forme déformée. Une forme spectaculaire de réfraction se produit avec une inversion de température appelée Fata Morgana où les objets à l'horizon ou même au-delà de l'horizon, tels que des îles, des falaises, des navires ou des icebergs, apparaissent allongés et surélevés, comme des «châteaux de contes de fées». [100]

Les arcs-en-ciel sont le résultat d'une combinaison de réflexion interne et de réfraction dispersive de la lumière dans les gouttes de pluie. Une seule réflexion sur le dos d'un réseau de gouttes de pluie produit un arc-en-ciel avec une taille angulaire sur le ciel qui varie de 40 ° à 42 ° avec du rouge à l'extérieur. Les arcs-en-ciel doubles sont produits par deux réflexions internes avec une taille angulaire de 50,5 ° à 54 ° avec du violet à l'extérieur. Parce que les arcs-en-ciel sont vus avec le soleil à 180 ° du centre de l'arc-en-ciel, les arcs-en-ciel sont plus proéminents plus le soleil est proche de l'horizon. [66]

Voir aussi [ modifier ]

  • Optique ionique
  • Publications importantes en optique
  • Liste des thèmes optiques

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Lectures complémentaires
  • Né, Max; Loup, Emil (2002). Principes de l'optique . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-1-139-64340-5.
  • Hecht, Eugene (2002). Optics (4 éd.). Addison-Wesley Longman, incorporé. ISBN 978-0-8053-8566-3.
  • Serway, Raymond A .; Jewett, John W. (2004). Physique pour les scientifiques et les ingénieurs (6, éd illustré). Belmont, Californie: Thomson-Brooks / Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
  • Tipler, Paul A .; Mosca, Gene (2004). Physique pour les scientifiques et les ingénieurs: électricité, magnétisme, lumière et physique moderne élémentaire . 2 . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
  • Lipson, Stephen G .; Lipson, Henry; Tannhauser, David Stefan (1995). Physique optique . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-0-521-43631-1.
  • Fowles, Grant R. (1975). Introduction à l'optique moderne . Publications Courier Dover. ISBN 978-0-486-65957-2.

Liens externes [ modifier ]

Discussions pertinentes
  • Optics sur In Our Time à la BBC
Manuels et tutoriels
  • Light and Matter - un manuel open-source, contenant un traitement de l'optique au ch. 28-32
  • Optics2001 - Bibliothèque et communauté d'optique
  • Optique fondamentale - Guide technique Melles Griot
  • Physique de la lumière et de l'optique - Livre de premier cycle de l' Université Brigham Young
  • Optique pour PV - une introduction étape par étape à l'optique classique
Modules Wikibooks
Lectures complémentaires
  • Optique et photonique: la physique améliore nos vies par les publications de l'Institut de physique
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