optique

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Présentation

optique, partie de la physique qui traite de la propagation et du comportement de la lumière.

De façon générale, la lumière est la partie du spectre électromagnétique (voir rayonnement), qui s'étend des rayons X aux micro-ondes. L'étude de l'optique est divisée en deux parties : l'optique géométrique et l'optique ondulatoire (ou optique physique), qui seront présentées ci-dessous.

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Nature de la lumière

L'énergie lumineuse a une double nature rayonnée : elle peut être considérée comme un flux de particules énergétiques, les photons, ou comme un ensemble de trains d'ondes transversales. Ainsi, en optique, deux théories complémentaires s'opposent : la théorie corpusculaire et la théorie ondulatoire de la lumière. Le concept de photon est utilisé pour expliquer les interactions entre la lumière et la matière lorsqu'elles conduisent à un changement de nature de l'énergie, comme dans l'effet photoélectrique ou la luminescence. Le concept d'onde est généralement utilisé pour expliquer la propagation de la lumière et certains des phénomènes liés à la formation des images. Les ondes lumineuses, comme les autres ondes électromagnétiques, créent en chaque point de l'espace des champs électriques et magnétiques oscillant rapidement. Puisque ces champs sont caractérisés par une direction et une grandeur, ils sont représentés par des vecteurs. Les champs électriques et magnétiques sont orthogonaux, perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. L'onde lumineuse la plus simple est l'onde sinusoïdale, appelée ainsi car la courbe de l'intensité des champs électrique et magnétique en fonction de la direction de propagation de cette onde est une sinusoïde. Le nombre d'oscillations par seconde en un point de l'onde lumineuse est appelé fréquence. La longueur d'onde (notée λ) est la plus petite distance, mesurée suivant l'axe de propagation, entre deux points ayant la même phase, c'est-à-dire deux points de l'onde ayant les mêmes caractéristiques. La longueur d'onde est par exemple la distance entre deux maxima ou deux minima successifs sur la courbe indiquée précédemment. Dans le spectre visible, les différences de longueur d'onde se traduisent par des différences de couleur. Le domaine visible s'étend de 350 nm (violet) à 750 nm (rouge), un nanomètre (nm) étant égal à 10^-9 m. La lumière blanche est un mélange de longueurs d'onde visibles. Bien qu'il n'y ait pas de limite précise entre les domaines des longueurs d'onde, on peut considérer que la limite inférieure des longueurs d'onde des radiations ultraviolettes est de 10 nm. Les radiations infrarouges, qui produisent un rayonnement thermique, ont des longueurs d'onde comprises entre 700 nm et 1 mm. La vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est le produit de sa fréquence par sa longueur d'onde. Dans le vide, cette vitesse est la même pour toutes les ondes. La vitesse de la lumière dans un milieu est inférieure à sa vitesse de propagation dans le vide et dépend de la longueur d'onde. Ce phénomène est appelé dispersion. L'indice de réfraction d'un milieu est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide sur la vitesse d'une onde lumineuse dans le milieu. Pour toutes les longueurs d'onde, l'indice de réfraction de l'air est de 1,00029, mais pour la plupart des applications, la valeur de 1 est suffisamment précise.

Les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière sont généralement issues de la théorie des ondes lumineuses introduite au XVII^e siècle par le scientifique hollandais Christiaan Huygens. Le principe de Huygens stipule que chaque point du front d'onde initial peut être considéré comme l'origine de petites ondes secondaires et sphériques qui se propagent dans toutes les directions à partir de leur centre avec la même vitesse, la même fréquence et la même longueur d'onde que l'onde initiale. Un nouveau front d'onde qui englobe les ondes secondaires peut alors être défini. Comme la lumière se propage perpendiculairement à ce front d'onde, ses changements de direction peuvent être expliqués par le principe de Huygens.

Lorsque des ondes secondaires se propageant dans un milieu rencontrent un obstacle ou passent dans un autre milieu, chaque point de la surface de séparation devient la source de deux nouveaux trains d'ondes. Celui qui est réfléchi reste dans le premier milieu et celui qui est réfracté pénètre dans le second milieu. Le comportement des rayons réfléchis et réfractés peut être interprété par le principe de Huygens. Il est plus simple et souvent suffisant de représenter la propagation de la lumière par des rayons plutôt que par des ondes. Le rayon représente la ligne de propagation ou la direction de l'énergie rayonnante. En optique géométrique, la théorie des ondes lumineuses n'est pas utilisée et on suppose que la lumière ne s'incurve pas. Les rayons et leur évolution sont représentés en utilisant les lois de la réflexion et de la réfraction.

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Optique géométrique

Cette partie de l'optique concerne l'application des lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière, pour la conception de lentilles et d'autres instruments optiques.

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Réflexion et réfraction

Si un rayon de lumière se propage dans un milieu homogène et arrive à la surface d'un second milieu homogène, une partie de la lumière est réfléchie et l'autre partie pénètre dans le second milieu (réfraction) et peut ou non y être absorbé. La proportion de la lumière réfléchie dépend du rapport des indices de réfraction des deux milieux considérés. Le plan d'incidence est défini par le rayon incident et la perpendiculaire, ou normale, à la surface au point d'incidence du rayon (voir figure 1). L'angle d'incidence est l'angle formé par le rayon incident et cette perpendiculaire. Les angles de réflexion et de réfraction sont les angles entre la normale et les rayons réfléchis et réfractés. D'après les lois de la réflexion, l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence et le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale au point d'incidence sont dans le même plan.

Si la surface du second milieu est lisse, il peut agir comme un miroir et produire une image réfléchie (figure 2). La source lumineuse de la figure 2 est l'objet A. On considère qu'un point de A émet des rayons lumineux dans toutes les directions. Les deux rayons qui parviennent au miroir aux points C et D sont réfléchis. La réflexion produit respectivement les rayons (BD) et (CE). Pour un observateur situé devant le miroir, ces rayons semblent provenir d'un point unique F placé derrière le miroir. D'après les lois de la réflexion, les rayons (CF) et (AC) forment le même angle avec la surface du miroir. Il en est de même pour (AC) et (AB). Ainsi, dans le cas d'un miroir plan, l'image d'un objet semble être formée par les rayons issus d'une source située derrière le miroir à une distance de la surface du miroir égale à la distance entre la surface et l'image.

Si la surface du second milieu est rugueuse, les perpendiculaires aux différents points de la surface ont des directions différentes, que l'on peut considérer aléatoires si le milieu est suffisamment rugueux. Dans ce cas, les rayons émis d'un point source sont si dispersés qu'ils ne peuvent former une image.