OPTIQUE - Principes physiques

OPTIQUE - Principes physiques

Toute classification des domaines de l’optique est en partie arbitraire et comporte de nombreux recouvrements. L’optique géométrique s’appuie essentiellement sur la notion de rayons lumineux susceptibles de fournir des images qu’on observe à l’aide de lunettes ou de microscopes, qu’on enregistre par photographie ou qu’on forme sur d’autres récepteurs physiques pour recevoir des signaux ou effectuer des mesures.

L’optique énergétique tient compte des puissances transportées par le rayonnement, de leur répartition spatiale et de leur action sur divers récepteurs ^{[cf. PHOTOMÉTRIE]}; l’optique physiologique traite de la formation des images dans l’œil et de leur perception ^{[cf. VISION]}; les phénomènes où interviennent la nature vibratoire de la lumière et sa propagation par ondes se rattachent à l’ optique ondulatoire : interférences, diffraction, polarisation. La forme la plus générale de l’optique ondulatoire est l’optique électromagnétique , qui exprime le champ électromagnétique de l’onde lumineuse à l’aide des équations de Maxwell. L’étude des longueurs d’onde et de la répartition spectrale des radiations composant une lumière ainsi que celle de leurs relations avec la nature et l’état physique des sources qui les émettent et des milieux qui les transmettent constituent la spectroscopie, qu’on tend aujourd’hui, en raison de son importance, à considérer comme une science distincte. La spectroscopie est étroitement liée à l’optique quantique , qui envisage l’aspect corpusculaire de la lumière, dans ses échanges d’énergie avec la matière (cf. LUMIÈRE Optique; optique QUANTIQUE).

La conception et la construction des instruments d’optique font appel à des calculs sur les «marches de rayons» et sur l’influence de la diffraction, à des connaissances sur les matériaux optiques, à des mesures sur les défauts résiduels des images, sur les lumières parasites, etc. Selon son application, l’optique instrumentale (on parle souvent de l’«optique» d’un instrument, par opposition à sa partie mécanique) est dite astronomique, microscopique, photographique, spectroscopique, métrologique; l’optique de lunetterie est la plus répandue de toutes.

Après avoir rappelé les lois générales et la façon dont elles interviennent, on indiquera les caractéristiques essentielles des verres et autres matériaux mis en œuvre, ainsi que les mesures qu’exigent les réalisations auxquelles se prêtent les méthodes optiques. On terminera par un relevé très succinct des principales applications.

1. Optique géométrique

Les effets d’ombre, les pointés par alignement et quantité d’évidences de la vie quotidienne amènent à admettre que la lumière se propage en ligne droite. L’expérience tout aussi commune de la réflexion et de la réfraction montre que la lumière subit un changement de direction lorsqu’elle arrive à la surface de séparation de deux milieux, et pousse à concevoir le rayon lumineux comme la ligne suivant laquelle se propage la lumière.

L’optique géométrique permet de connaître les rayons lumineux à partir de quelques lois simples qui, pour apparaître en dernière analyse comme des approximations, n’en décrivent pas moins avec exactitude presque tous les phénomènes lumineux.

Des essais de Ptolémée à la loi approchée de Kepler, les lois de la réfraction ont donné aux physiciens plus de mal que celles de la réflexion. Il semble qu’Harriott, en 1598, ait été le premier à connaître la loi des sinus à laquelle sont attachés les noms de Snell et de Descartes, Snell ayant vraisemblablement établi expérimentalement vers 1620 la relation qui fut démontrée – de façon fort criticable – et publiée par Descartes dans sa Dioptrique en 1637. Mais c’est à Fermat que revient le mérite d’avoir introduit, en 1650, sous la forme du principe de moindre temps, l’énoncé de base de l’optique géométrique avec toute la généralité souhaitable: parmi toutes les courbes qui joignent deux points A et B (fig. 1), le rayon lumineux est celle le long de laquelle le temps de parcours est minimal. Plus précisément, ayant eu l’idée que la lumière se propage à vitesse moindre dans les milieux les plus «denses», Fermat a ouvert la voie à la formulation suivante de son principe: c étant la vitesse de la lumière dans le vide et n , appelé indice de réfraction, le rapport de c à la vitesse dans un milieu donné, on peut définir pour toute courbe C joignant A et B, le chemin optique L comme l’intégrale curviligne de l’indice le long de C . L est donc la distance que parcourrait la lumière dans le vide pendant le temps qu’elle mettrait à parcourir C . Le principe de Fermat affirme que, parmi toutes les courbes C , L est stationnaire le long du rayon ou des rayons joignant A et B. Dans le cas d’un milieu homogène le rayon est une ligne droite.

Dans un milieu non homogène dont l’indice varie de façon continue, les rayons lumineux suivent des trajectoires courbes. Par exemple (fig. 2), l’indice de l’air atmosphérique décroît progressivement à partir du sol; un observateur situé sur terre croit voir dans la direction OE l’étoile E. L’écart entre les deux directions atteint 2 pour une étoile située à 60⁰ du zénith. De même, les couches d’air voisines du sol peuvent être chauffées, et donc devenir moins denses qu’au-dessus, au point de rendre possibles des trajectoires telles que le rayon courbé de la figure 3, qui illustre le phénomène de mirage.

Dans les milieux homogènes, les rayons sont rectilignes et, à la surface de séparation de deux milieux, ils obéissent aux «lois de Descartes» pour la réflexion et pour la réfraction (fig. 4), conséquences du principe de Fermat.

Les instruments d’optique les plus courants forment des images par application des lois de Descartes à des combinaisons optiques formées de lentilles, de prismes et de miroirs. Une bonne image est obtenue lorsque tous les rayons issus d’un point «objet» M et pénétrant dans l’instrument convergent en un même point «image» M . Le souhait d’obtenir de bonnes images pour de grands

champs et avec une bonne luminosité conduit à calculer les combinaisons fournissant les aberrations les plus faibles, c’est-à-dire les écarts les plus petits entre les poins images M idéaux et les rayons émergents venus de tous les points objets M d’une vaste région et passés à travers des diaphragmes largement ouverts. L’art laborieux du calcul des combinaisons optiques, qui doit bien sûr tenir compte du spectre de la lumière étudiée et de son influence sur les indices de réfraction (cf. LUMIÈRE - Dispersion et absorption), a progressé de façon spectaculaire avec l’apparition des ordinateurs.

La réflexion totale (fig. 5) intervient lorsque la lumière tombe assez obliquement sur une surface de séparation de deux milieux en venant du milieu d’indice le plus élevé. Ce phénomène permet notamment de guider la lumière le long de fibres de verre, il est à la base des progrès dans les télécommunications par fibres optiques (cf. TÉLÉCOMMUNICATIONS - Télécommunications optiques).

La pénétration dans les milieux homogènes anisotropes provoque en général un dédoublement des rayons (cf. CRISTAUX - Optique cristalline).

2. Optique ondulatoire

On trouvera à l’article LUMIÈRE - Optique, un aperçu de la conception que la physique actuelle s’est forgée de la nature de la lumière. C’est une onde électromagnétique dont les champs, pour la lumière visible, varient à des fréquences comprises entre 4.10¹⁴ et 7.10¹⁴ Hz. Les récepteurs de lumière sont sensibles non pas au champ électromagnétique instantané trop rapidement variable, mais à la moyenne dans le temps de son carré. Compte tenu de la vitesse de la lumière dans le vide (environ 300 000 km.s^-1), la propagation de ces ondes provoque des oscillations spatiales dont la longueur d’onde s’échelonne entre 0,4 猪m pour le violet et 0,7 猪m pour le rouge. L’article SPECTROSCOPIE examine les moyens de connaître le spectre des longueurs d’onde mis en jeu dans une expérience donnée, et l’article LUMIÈRE Polarisation, les effets du caractère vectoriel des champs de l’électromagnétisme sur les propriétés optiques de certains milieux, dits optiquement anisotropes. Les interactions de la lumière et de la matière lors de l’émission et de la détection ou de l’absorption de lumière sont décrites dans le cadre de l’optique corpusculaire, dont l’optique et l’électrodynamique quantiques (cf. optique QUANTIQUE et mécanique QUANTIQUE) effectuent la synthèse avec les conceptions ondulatoires. Nous nous limiterons ici à évoquer les manifestations ondulatoires de la propagation de la lumière.

C’est aux équations de Maxwell qu’il convient en dernière analyse de se référer pour toute question de propagation des ondes lumineuses: de la connaissance de la lumière incidente envoyée par les sources et de la description complète de la géométrie du problème on peut déduire les champs électromagnétiques en tout point de l’espace. Si cette méthode puissante de résolution de tout problème de diffraction électromagnétique est parfois indispensable, elle reste si lourde et ardue qu’elle ne peut être utilisée dans tous les cas, malgré les progrès qu’a permis l’apparition des ordinateurs, par exemple pour l’étude des réseaux et des structures optiques intégrées. C’est alors au principe de Huygens-Fresnel, attrayant par sa simplicité presque intuitive, qu’il convient d’avoir recours: effectuant la synthèse des conceptions ondulatoires de Huygens et de l’interprétation des interférences par Young, Fresnel a présenté en 1815 la diffraction lumineuse comme le résultat de la superposition d’ondelettes sphériques émises par chaque point atteint par la lumière. On est ainsi en mesure de mener à bien la plupart des études de diffraction: limitation imposée par la diffraction au pouvoir de résolution des instruments d’optique, utilisation de la diffraction en spectroscopie dans les réseaux, modification et traitement des images par filtrage des fréquences spatiales, enregistrement de l’onde lumineuse elle-même au lieu de son éclairement grâce à l’artifice de l’holographie (cf. LUMIÈRE - Diffraction; HOLOGRAPHIE).

Lorsqu’un même point reçoit une onde lumineuse sinusoïdale («monochromatique» en termes d’opticien) par deux chemins nettement distincts, les deux vibrations peuvent se composer pour s’additionner ou s’annuler suivant que les longueurs des deux voies diffèrent d’un nombre entier pair ou impair de demi-longueurs d’onde: c’est le phénomène d’interférences. Si la lumière n’est pas parfaitement monochromatique, mais est composée de longueurs d’ondes légèrement différentes, ou que la longueur de chacune des voies admet une certaine indétermination, le critère précédent perd son sens, et la superposition de plusieurs phénomènes d’interférences peut provoquer la disparition de ces dernières: on parle de manque de cohérence de la lumière, et c’est la raison pour laquelle les interférences lumineuses sont très rarement observables dans la vie courante. Leurs applications sont toutefois considérables en métrologie et en physique de la matière condensée et des surfaces par l’intermédiaire des couches minces – d’épaisseur voisine de la longueur d’onde ^{[cf. INTERFÉRENCES LUMINEUSES]}.

3. Matériaux optiques

L’optique instrumentale, fondée sur les calculs et les raisonnements de l’optique géométrique et de l’optique ondulatoire, doit tenir compte des propriétés et de l’utilisation des matériaux qu’elle emploie. On peut disposer de verres de compositions diverses, offrant une large gamme de réfringences et de dispersions, avec une transparence suffisante pour les radiations utilisées: certains, très dispersifs, absorbent notablement l’extrémité violette du spectre; d’autres, bien transparents pour l’infrarouge, sont opaques pour la lumière visible. Ces verres doivent être soigneusement homogénéisés et stabilisés par un recuit et un refroidissement progressifs, qui peuvent demander des semaines. Leurs dilatations et leurs variations d’indices avec la température, leur résistance à l’abrasion et aux altérations chimiques interviennent dans leur choix.

Le nom de crown caractérise, en général, un silicate de calcium et de sodium ou potassium, celui de flint un silicate de potassium et de plomb; les uns et les autres sont éventuellement additionnés d’anhydride borique ou phosphorique, de fluorures, de baryte, etc.

Le quartz cristallin ou fondu (silice amorphe) est précieux de par sa faible dilatation et surtout en raison de sa transparence pour certaines radiations ultraviolettes ou infrarouges. D’autres cristaux (sel gemme, fluorine, spath, etc.) rendent également de bons services: on élimine l’influence de leur biréfringence, lorsqu’elle existe, ou bien, au contraire, on utilise les effets de polarisation qui en résultent.

Les verres organiques sont des matières plastiques transparentes, légères, résistant aux chocs, mais généralement moins bien à l’abrasion; la possibilité de les reproduire par moulage est avantageuse, et leur usage s’est développé en lunetterie. Mais leurs indices varient avec la température beaucoup plus que ceux des verres minéraux, ce qui en interdit l’emploi dans des systèmes à aberrations réduites ^{[cf. VERRE]}.

Les lentilles et miroirs sphériques sont de beaucoup les plus employés, leur fabrication étant relativement aisée; d’autres surfaces de révolution sont en usage depuis plus ou moins longtemps: paraboloïdes pour les télescopes et projecteurs, ellipsoïdes pour des condenseurs de lumière, tores pour certains verres de lunetterie. De nouvelles machines, capables de tailler en série de telles surfaces asphériques, ou d’autres à génératrices quelconques, ont été réalisées, et des calculs ont été développés pour que leur emploi simplifie certains systèmes tout en améliorant leur stigmatisme.

On doit encore classer, parmi les matériaux optiques, certains liquides très dispersifs (cinnamate d’éthyle, sulfure de carbone) qu’on enferme dans des prismes creux, pour les besoins de la spectroscopie. Rappelons aussi les métaux tels que l’aluminium, travaillés dans la masse ou déposés en couche de très faible épaisseur sur un support de verre ou de silice, taillé à la forme voulue, pour réaliser des miroirs, ou des réseaux de diffraction.

En déposant sur les surfaces optiques des couches de substances d’indices convenables et d’épaisseurs constantes de quelques dixmillièmes de millimètre, on peut éliminer en grande partie des lumières parasites résultant des réflexions multiples et améliorer en même temps la transparence des systèmes. On peut aussi, à l’aide d’autres couches minces, augmenter au contraire les facteurs de réflexion de miroirs ou réaliser des filtres ne transmettant que certaines longueurs d’onde. Cette application technique importante des interférences lumineuses couvre maintenant non seulement le domaine visible, mais l’infrarouge, l’ultraviolet et même le domaine des rayons X mous jusqu’à quelques nanomètres, ce qui permet d’espérer disposer bientôt de miroirs pour rayons X de bon pouvoir réflecteur même sous faible incidence.

4. Mesures optiques

Certaines d’entre elles concernent la composition et l’intensité des lumières, cette dernière étant évaluée d’après la puissance qu’elles transportent ou d’après leur action sur l’œil (cf. SPECTROSCOPIE et PHOTOMÉTRIE); éventuellement, l’état de polarisation doit aussi être déterminé.

D’autres évaluations concernent la qualité des images fournies par un système optique: grandissement, netteté, luminances, contrastes. Les contrôles, en cours de fabrication ou d’utilisation, sont de plus en plus soignés; de même qu’en acoustique on étudie la reproduction des sons des différentes fréquences musicales, on mesure en optique la fonction de transfert de modulation qui détermine la perte de contraste subie par un objet sinusoïdal de fréquence spatiale donnée lorsqu’un instrument d’optique forme son image.

Les mesures sur les propriétés optiques des substances: absorption, réflexion, diffusion, couleur, réfraction et dispersion, pouvoir rotatoire, sont intéressantes non seulement pour la réalisation d’éléments optiques, mais aussi pour des analyses ou identifications, des dosages (notamment par polarimétrie), des études de matériaux, etc.

La possibilité d’effectuer des pointés très précis, à l’aide de viseurs ou de microscopes, en superposant une image nette à un repère ou à un gabarit pour vérifier la grandeur ou la forme d’un objet, assure à la métrologie dimensionnelle une exactitude souvent bien meilleure que l’emploi de mètres ou de calibres par juxtaposition ou emboîtement.

L’interférométrie, qui détermine des ordres d’interférence, de la forme ne /, se prête à la mesure des indices de réfraction n , des épaisseurs e , ou des longueurs d’onde avec une extrême sensibilité.

La télémétrie optique peut aussi utiliser le temps de propagation de la lumière. Les faisceaux lasers ont permis d’évaluer, par exemple, la distance moyenne de la Terre à la Lune à un instant donné (de l’ordre de 385 000 km) à quelques kilomètres près.

Très exigeante pour la réalisation de bons instruments, l’optique offre donc les moyens de contrôle nécessaires non seulement à ses besoins, mais à bien d’autres. Elle est de plus en plus perfectionnée grâce à des accessoires électroniques: amplificateurs, enregistreurs, régulateurs, etc., heureusement associés à ses propres montages.

5. Applications et développements

Il n’est guère de science ou de technique qui ne fasse appel aux moyens optiques pour des observations, des mesures, des reproductions, des transmissions. Les lunettes de vision sont efficaces. Les lentilles de contact, désormais d’emploi courant, s’appliquent directement sur l’œil; elles sont pratiquement invisibles et permettent seules certaines corrections (mais on doit vérifier qu’ils n’altèrent en rien la cornée).

L’éclairagisme, qui s’intéresse aux propriétés lumineuses des sources et aux propriétés optiques des réflecteurs, réfracteurs et diffuseurs, sans exiger une précision extrême, a fait de grands progrès depuis un siècle. L’analyse spectrale rend de grands services en chimie, en métallurgie et en astronomie, celle-ci utilisant d’autre part des lunettes ou des télescopes pour concentrer le flux des étoiles, distinguer les détails du Soleil, des planètes, et même des nébuleuses, et repérer avec précision les directions, ce qui importe aussi en géodésie. De grands miroirs servent à recevoir des micro-ondes en radioastronomie, d’autres à capter l’énergie solaire, afin de fondre des matériaux très réfractaires ou de provoquer des réactions chimiques à de très hautes températures.

Les armées terrestre, maritime et aérienne utilisent les lumières visibles et la lumière infrarouge pour des observations et des signaux. Les ondes lumineuses peuvent être modulées pour la transmission de messages sonores. Les microscopes sont indispensables en cristallographie, en biologie et en médecine. Les divers instruments ophtalmologiques sont mieux connus et plus utilisés: les endoscopes, qui permettent de voir à l’intérieur de cavités dans un organisme ou une pièce mécanique (cf. OPTIQUE – Images optiques), les photoélasticimètres qui, par l’observation en lumière polarisée d’une lame transparente soumise à des contraintes, servent à évaluer celles-ci.

Parmi les innombrables applications de la photographie et du cinéma, rappelons les enregistrements de phénomènes ultrarapides, les réalisations de cartes par photogrammétrie, les reproductions très réduites pour circuits électroniques miniaturisés, les images très nettes, malgré la distance, prises par les engins spatiaux.

La photocomposition fournit, par des moyens optiques, des textes à imprimer. Inversement, la reconnaissance optique des caractères d’imprimerie sert à des contrôles de chèques et à des triages postaux. L’apparition à l’échelle industrielle de matériaux optiques non linéaires à réponse très rapide permet de profiter de la considérable capacité qu’a la lumière de transporter les informations: l’apparition de processeurs optiques ajoute un chapitre à l’informatique. Des comparaisons se rattachant aux filtrages et à l’holographie permettent l’identification d’idéogrammes chinois ou d’empreintes digitales; des enregistrements minuscules constituent, pour les ordinateurs, des mémoires optiques à grande capacité.

L’optique est l’une des activités où la coopération entre physiciens et industriels (constructeurs ou usagers) a toujours été très étroite. Au début de ce siècle, beaucoup l’ont considérée comme une science achevée, dont les raisonnements et les réalisations n’étaient guère perfectibles. Or, ses théories ont été transformées, ses instruments améliorés et ses applications (nous n’en avons cité qu’une partie) multipliées. Son rôle dans la découverte des quanta et de la relativité, l’apparition des lasers et de l’holographie ont attiré l’attention sur cette évolution.

Actuellement se développe une optique non linéaire dont l’un des aspects est la grande concentration de puissance dans un petit volume, réalisée à l’aide d’un laser (jusqu’à cent millions de watts dans moins d’un centième de millimètre cube, pendant un milliardième de seconde); elle crée un champ électromagnétique comparable aux champs intra-atomiques. La matière peut ainsi être ionisée, ou encore répondre à l’excitation non plus suivant la loi habituelle de proportionnalité, qui se traduit notamment par les phénomènes de réfraction, mais suivant une loi plus complexe, d’où résulte la transformation de la radiation incidente en une autre de fréquence double, par exemple.

Des problèmes essentiels restent à résoudre, concernant, entre autres, le mécanisme des échanges d’énergie entre lumière et matière et le caractère probabiliste des phénomènes de propagation; bien des nouveautés techniques doivent encore être attendues.

Encyclopédie Universelle. 2012.