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optique

(latin optice, du grec optikê)

arc-en-ciel
arc-en-ciel

Partie de la physique qui traite des lois de la lumière et des phénomènes de la vision ainsi que des phénomènes mettant en jeu des rayonnements présentant des analogies avec la lumière (radiations infrarouges, ultraviolettes, ondes courtes, ultrasons, électrons, etc.).

PHYSIQUE

1. L'optique, branche fondamentale de la physique

L'optique, qui étudie les propriétés de la lumière et tente de les interpréter, se présente à la fois comme science et comme ensemble de techniques. Cela a permis aussi bien les progrès de la discipline, dont la compréhension des phénomènes lumineux s'est approfondie, que la réalisation d'une instrumentation qui a conduit à la découverte du plus grand et du plus lointain comme du plus petit.

2. Les domaines de l'optique

On distingue l'optique géométrique et l'optique physique. La première est une étude des propriétés de la lumière, développée à partir de principes fondamentaux (propagation rectiligne, lois de la réflexion et de la réfraction), sans qu'il soit fait d'hypothèses sur sa nature. La seconde comporte l'interprétation de ces propriétés par la connaissance de cette nature ; elle se divise elle-même en optique ondulatoire, la lumière étant considérée comme formée par la vibration d'un champ électromagnétique qui se propage (→ onde), et en optique corpusculaire, la lumière étant considérée comme formée de photons. Enfin, pour expliquer des phénomènes particuliers découverts récemment, les physiciens ont créé une nouvelle branche, l'optique non linéaire, pour laquelle les propriétés de la lumière ne sont plus linéaires.

3. Histoire de l'optique

Dans l'Antiquité, on considère que le rayon lumineux émane de l'œil, la vision étant due au retour du rayon. Ce n'est qu'au début du Moyen Âge, avec Ibn al-Haytham, que l'on comprend que la lumière émane de l'objet.

3.1. Les premiers traités

À partir de la conception de la propagation rectiligne de la lumière va s'édifier une optique géométrique. L'école platonicienne (→ Platon) connaît déjà les lois de la réflexion. Ptolémée, dans son Optique, traite de la réfraction et mesure la déviation du rayon dans divers cas (air/eau, air/verre). Mais la loi de la réfraction ne sera trouvée qu'au début du xviie s., par Snel Van Royen. Elle sera largement exploitée par Descartes, qui croira, à tort, avoir démontré que la lumière se propage dans un milieu dense avec une vitesse plus grande que dans l'air, alors que c'est l'inverse qui est vrai, comme le montrera Fermat.

Auparavant, l'optique géométrique a été développée surtout par Ibn al-Haytham, dont le Traité d'optique connaît une grande diffusion en Europe occidentale. De cette optique relève l'explication de l'arc-en-ciel par des réflexions et réfractions de la lumière dans les gouttes d'eau. Amorcée au Moyen Âge, cette théorie reçoit de remarquables développements de la part de Descartes, mais ne sera complètement achevée que de nos jours.

3.2. Les premiers instruments de l'optique géométrique

Vers 1550 sont repris des travaux sur l'étude des prismes et des miroirs sphériques. Publiés en 1611, ils annoncent ceux, beaucoup plus fondamentaux, de Kepler, qui développe une optique géométrique de la vision et des lentilles. Toutefois, jusqu'à la fin du xviie s., hors de rares exceptions, c'est de manière empirique que sont inventés et réalisés de nombreux dispositifs : miroirs plans en métal ou en obsidienne, que l'on trouve déjà dans les tombeaux égyptiens ; miroirs sphériques convexes et concaves, déjà chez les Romains ; lentilles créées au Moyen Âge et ayant été utilisées dans l'invention des bésicles, « lunettes à nez » (1317) ; « chambre obscure » (→ chambre noire), réalisée, semble-t-il, pour la première fois, par R. Bacon au xiiie s., améliorée par Giambattista Della Porta (1535-1615), qui imagine la lanterne magique, perfectionnée par le père Kircher.

La lunette pour la vision à distance, créée par des opticiens hollandais vers 1590, est utilisée par Galilée en 1609 pour des observations astronomiques ; microscope, apparu vers 1615, amélioré par R. Hooke (1665) et A. Van Leeuwenhoek.

3.3. De nouveaux phénomènes en nouvelles théories

À partir du milieu du xviie s. vont être découverts de nouveaux aspects de la lumière, dont l'optique géométrique, qui ne connaît que les rayons lumineux, ne peut rendre compte : interférences et diffraction (F. Grimaldi [1618-1663], 1650) ; couleurs des lames minces (R. Boyle et R. Hooke) ; double réfraction (E. Bartholin, 1669) ; première mesure de la vitesse de la lumière (Römer, 1676) ; polarisation (É. L. Malus, 1810) ; polarisation rotatoire (F. Arago, A. Cauchy, M. Faraday) ; mesure précise de la vitesse de la lumière (H. Fizeau, 1849 ; L. Foucault, 1850) ; analyse spectrale utilisée systématiquement à partir du milieu du xixe s., notamment par G. R. Kirchhoff.

Il faut aussi citer l'invention de la plaque photographique (→ photographie), fondée sur l'action réductrice de la lumière sur les sels d'argent (N. Niépce et L. Daguerre, 1833-1839). En 1869, J. C. Maxwell édifie sa théorie électromagnétique. En 1895, W. Röntgen découvre les rayons X, et H. Becquerel la radioactivité. En 1887, H. Hertz produit des ondes électromagnétiques ayant les mêmes propriétés que la lumière. La théorie de la lumière se développe avec H. A. Lorentz (1895) et aboutit à la mécanique ondulatoire de L. de Broglie (1924).

3.4. Les nouvelles applications de l’optique

À partir du milieu du xxe s. se développent de nouvelles applications de l’optique dans des domaines très divers. En témoignent les techniques de l'audiovisuel (→ télévision), de l'imagerie médicale, de la détection des images infrarouges, ainsi que les nouvelles générations d'instruments en microscopie électronique, en astronomie, en spectroscopie… La mise au point de lasers adaptés a permis, en particulier, le développement des télécommunications par fibres optiques, la transmission d'informations entre ordinateurs (→ Internet) et la lecture optique de disques gravés (→ DVD), de code-barres et de Flashcodes.

Par ailleurs, de nombreuses applications ont été réalisées grâce aux progrès en électronique et dans les techniques de traitement des signaux (→ traitement d'images). Avec la naissance de l'optoélectronique, les frontières entre l'électronique et l'optique s'estompent et ouvrent la voie à de nouveaux développements révolutionnaires.

4. Lois, principes et systèmes optiques

4.1. L'optique géométrique

Elle est fondée sur quelques principes simples : la propagation rectiligne (dans un milieu transparent, homogène et isotrope, les rayons lumineux sont des droites) ; les lois de Snell-Descartes sur la réflexion et la réfraction ; le principe de Fermat (d'un point à un autre, la lumière suit le trajet de durée minimale ou maximale). À partir de ces principes, il est possible de concevoir un certain nombre de systèmes optiques, dont les principaux sont : le miroir plan, le dioptre plan, le miroir sphériqueet la lentille mince. Ils trouvent des applications dans les instruments d'optique (loupe, microscope, lunette, télescope, objectif photographique), dont les propriétés de base répondent, elles aussi, à des règles géométriques simples.

4.1.1. Loi de Snell-Descartes sur la réflexion

Lorsque des ondes lumineuses rencontrent la surface de séparation de deux milieux où les vitesses de propagation sont différentes, elles retournent en partie dans le premier milieu (lumière réfléchie) et pénètrent en partie dans le second (lumière transmise, ou réfractée). En tout point d'une surface réfléchissante, la normale, le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans un même plan, l'angle d'incidence étant égal à l'angle de réflexion.

On distingue la réflexion métallique, qui se produit à la surface d'un métal poli, et la réflexion vitreuse, qui se produit à la frontière de deux milieux diélectriques. Quand le premier milieu a un indice de réfraction supérieur à celui du second, il existe un angle d'incidence limite au-dessus duquel il n'y a plus de lumière transmise, c'est la réflexion totale, utilisée dans les prismes et les fibres optiques.

Pour en savoir plus, voir l'article réflexion.

4.1.2. Loi de Snell-Descartes sur la réfraction

Un rayon lumineux arrivant avec un angle d'incidence i à la surface de séparation de deux milieux transparents subit une déviation, le rayon réfracté restant dans le plan d'incidence (→ réfraction). L'angle de réfraction r, angle entre le rayon réfracté et la normale à la surface, est lié à l'angle d'incidence par la loi de Descartes :

sin i / sin r = n

n étant l'indice de réfraction du second milieu par rapport au premier.

Pour l'incidence rasante (i = 90°), l'angle r atteint une valeur limite L telle que :

sin L = 1/n

Pour le verre, d'indice n = 1,5, L = 41° 48′.

Dans la propagation en sens inverse, du verre dans l'air par exemple, si le rayon arrive sur la surface de séparation sous un angle supérieur à L, la réfraction ne se fait plus : il y a réflexion totale.

Certains milieux anisotropes présentent le phénomène de double réfraction (biréfringence). On observe deux rayons réfractés : le rayon extraordinaire et le rayon ordinaire, qui, seul, obéit à la loi de Descartes.

Près de l'horizon, les rayons lumineux d'un astre traversent une plus grande épaisseur d'atmosphère terrestre avant de parvenir au sol : ils subissent une réfraction dont l'effet est mesurable et qui se traduit par une modification de la direction apparente de l'astre. Le phénomène explique aussi l'aplatissement apparent du Soleil et de la Lune au moment de leur lever et de leur coucher.

4.2. L'optique physique

Si les phénomènes de polarisation, d'interférences et de diffraction ne peuvent s'expliquer que par la théorie ondulatoire, l'effet photoélectrique ou l'effet Compton exigent une interprétation corpusculaire.

Pour l'optique ondulatoire, la lumière est considérée comme formée par la vibration d'un champ électromagnétique, perpendiculairement à la direction de propagation ; son énergie a une distribution continue dans l'espace. Dans la lumière polarisée, l'amplitude vibratoire n'est pas la même dans tous les plans contenant le rayon lumineux. Les interférences sont dues à la superposition de deux rayons issus d'une même source ponctuelle et ayant suivi des chemins différents. Enfin, la diffraction est un phénomène d'interférence produit par les radiations provenant des différents points d'une surface d'onde lorsque celle-ci est limitée par un diaphragme.

Avec l'optique corpusculaire, la lumière est considérée comme formée de photons. L'effet photoélectrique se produit lorsqu'un photon d'énergie suffisante arrache un électron à l'atome qu'il rencontre et lui communique une certaine vitesse. L'effet Compton est un processus d'interaction entre matière et rayonnement électromagnétique dû à la diffusion du rayonnement par les électrons des atomes : lors d'une collision élastique avec un électron, un photon subit une augmentation de longueur d'onde.

4.3. L'optique non linéaire

Elle recouvre différents phénomènes qui se produisent lorsque de la lumière intense traverse un diélectrique (substance isolante). Ceux-ci ont été mis en évidence grâce à l'invention des lasers, qui émettent une lumière dont le champ électrique est extrêmement intense. Cela a pour conséquence que la notion même d'indice de réfraction n'a plus de sens et que la propagation de ces ondes obéit à des lois spéciales. Parmi ces propriétés, signalons le phénomène d'autofocalisation (un faisceau de lumière parallèle issu d'un laser tend, à l'intérieur d'un milieu, à se focaliser de lui-même et à se concentrer en faisceaux très fins) ou la production d'harmoniques (lorsqu'un milieu est traversé par un faisceau rouge issu d'un laser, on observe la production d'une onde ultraviolette de fréquence double de celle de l'onde incidente).

5. Unités optiques

L'unité de base des unités optiques dans le système international (SI) est la candela (cd), unité d'intensité lumineuse. Toutefois, il existe d’autres unités optiques, notamment le lumen, le lux et la dioptrie.

Pour en savoir plus, voir les articles vision, illusion d'optique, aberration optique, lunettes [médecine].