Discussion Utilisateur:Fabien2005

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Table of Opticks, 1728 Cyclopaedia

L'optique est la partie de la physique qui traite de la nature de la lumière et de son interaction avec la matière. Elle est au coeur de la physique moderne et a été à l'origine des deux grandes révolutions scientifiques du XX^e siècle que sont la théorie relativiste et la théorie quantique. L'optique se divise en trois grandes branches : l'optique géométrique, l'optique physique ou optique ondulatoire et l'optique quantique. Ces branches se distinguent par leur niveau de modélisation des phénomènes optiques.

Sommaire

1 Introduction
2 Les théories de l'optique
3 Les domaines de l'optique
- 3.1 Notes et références
- 3.2 Voir aussi

[modifier] Introduction

Historiquement l'optique géométrique s'est développée dès l'antiquité et jusqu'au XVIII^e siècle. Elle propose une analyse de la propagation de la lumière basée sur des principes simples : la propagation rectiligne, la réflexion et la réfraction.

Historiquement, l'optique, apparue dès l'antiquité, a d'abord été géométrique.

Archimède ^[1]

L'optique géométrique propose une analyse de la propagation de la lumière basée sur des principes simples : la propagation rectiligne, la réflexion et la réfraction. Elle s'est perfectionnée jusqu'au XVIII^e siècle, où la découverte de nouveaux phénomènes tels que la déformation de la lumière au voisinage d'obstacles ou le dédoublement de la lumière lors de la traversée de certains cristaux ont conduit au XIX^e siècle au développement de l'optique physique ou ondulatoire.
L'optique ondulatoire considère la lumière comme une onde, elle prend en compte les phénomènes d'interférence, de diffraction et de polarisation.

Au début du XX^e siècle les théories d'Einstein sur la nature corpusculaire de la lumière donneront naissance au photon et à l'optique quantique. Les physiciens sont contraints d'admettre que la lumière présente à la fois les propriétés d'une onde et d'un corpuscule. À partir de là, Louis de Broglie considère, au travers de la mécanique ondulatoire, que si le photon peut se comporter comme un corpuscule, à l'inverse, les corpuscules tels que les électrons ou les protons peuvent se comporter comme des ondes.

[modifier] Les théories de l'optique

[modifier] Optique géométrique

$Réfraction de la lumière par une goutte d'eau$

Réfraction de la lumière par une goutte d'eau

Article détaillé : Optique géométrique.

L'optique géométrique s'est développée sur la base d'observations simples, elle repose sur deux principes et deux lois empiriques :

La propagation rectiligne dans un milieu homogène et isotrope
Le principe du retour inverse qui exprime la réciprocité du trajet lumineux entre source et destination.
La loi de Snell-Descartes pour la réflexion

La loi de Snell-Descartes pour la réfraction

La résolution des problèmes se fait à l'aide de constructions géométriques, on calcule des angles, on trace des droites matérialisant des rayons, d'où le nom d'optique géométrique. Elle donne de bons résultats tant que l'on ne cherche pas à modéliser des phénomènes liés à la polarisation ou aux interférences et qu'aucune dimension du système n'est comparable ou inférieure à la longueur d'onde considérée. On dit que l'on est dans le domaine d'approximation de Gauss.

L'optique géométrique part des lois phénoménologiques de Descartes (pour les francophones) ou de Snell (pour les anglophones), disons donc des lois de Descartes-Snell sur la réflexion et la réfraction et du constat que dans un milieu homogène (et transparent) la lumière va en ligne droite.

Ensuite il suffit de faire de la géométrie respectant ces lois pour obtenir toutes les formules de base de l'optique géométrique concernant les miroirs, les dioptres et les lentilles ou leurs combinaisons en doublet constituant ainsi des instruments d'optique dits du visible.

Une synthèse Miroir Dioptre Lentille est obtenue en appliquant la formule de Descartes et du grandissement.

[modifier] Optique ondulatoire et optique physique

Irisations à la surface d'une flaque d'huile

Article détaillé : Optique ondulatoire.

Alors que l'optique géométrique est une optique purement phénoménologique et ne fait pas d'hypothèse sur la nature de la lumière, hormis éventuellement qu'elle transporte de l'énergie, l'optique ondulatoire (parfois appelée “optique physique”) modélise la lumière par une onde.

Le modèle de l'onde scalaire (principe de Huygens-Fresnel) permet d'interpréter les phénomènes de diffraction (lors du passage par un trou, une fente étroite, près d'un bord...) et d'interférences. Les calculs reposent alors sur la somme des amplitudes d'ondes sinusoïdales qui se superposent, somme qui, suivant le déphasage, peut conduire à un résultat nul. La superposition de deux faisceaux peut ainsi donner l'obscurité. C'est ce qu'on observe au niveau des zones sombres des figures d'interférence ou de diffraction.

Il faut ensuite considérer qu'il s'agit d'une onde transversale si l'on veut interpréter les phénomènes de polarisation. Enfin, Maxwell permettra de comprendre que les ondes lumineuses ne sont que des ondes électromagnétiques caractérisées par un domaine de longueurs d'ondes qui les rend visible pour l'homme.

L'optique physique est le nom d'une approximation haute fréquence (petite longueur d'onde) couramment utilisée en optique, en physique appliquée ou en ingénierie électrique. Dans ces contextes, c'est une méthode intermédiaire entre l'optique géométrique, qui ignore les effets ondulatoires et l'optique ondulatoire qui est une théorie physique exacte.

Cette approximation consiste à utiliser les rayons de l'optique géométrique pour estimer les champs sur une surface puis intégrer ces champs sur toute la surface éclairée pour déterminer les champs transmis et réfléchis.

Dans les domaines optiques et radiofréquences, cette approximation est utilisée pour calculer les effets d'interférences, de polarisation et estimer les effets de diffraction. Comme toutes les approximations hautes fréquences, l'approximation de l'optique physique gagne en pertinence à mesure que l'on travaille avec de hautes fréquences.

La méthode consiste généralement à approcher la densité surfacique de courant électrique $\vec{J}$ à la surface d'un objet par la densité de courant $\vec{J}_{OP}$ induite par le champ magnétique incident $\vec{H}_i$ , comme c'est le cas sur un plan métallique infini. C'est pour cela que l'approximation de l'optique physique est parfois appelée “hypothèse du plan tangent”.

La densité de courant électrique au point Q de la surface éclairée est alors calculée par la relation :

$\vec{J}_{OP}(Q) = 2 \hat{n}(Q) \times \vec{H}_i(Q)$

où $\hat{n}(Q)$ correspond au vecteur normal unitaire extérieur à la surface éclairée. Dans les zones d'ombre (surface non-éclairée selon l'hypothèse de l'optique géométrique), la densité de courant considérée comme nulle. Les champs rayonnés par la surface sont ensuite calculés en intégrant la densité de courant électrique sur la surface éclairée avec des expressions intégrales des équations de Maxwell, par exemple les équations intégrales de Stratton-Chu, de Kottler ou de Franz.

À cause de l'hypothèse effectuée sur la densité de courant électrique à la surface d'un objet, cette approximation est d'autant plus correcte lorsque les objets étudiés sont grands devant la longueur d'onde et avec des surfaces lisses. Pour la même raison, cette densité de courant approchée est inexacte à proximité des discontinuités comme des arêtes ou les frontières entre la zone éclairée et les zones d'ombre. De plus, cette approximation ne rend pas compte des ondes rampantes.

[modifier] Optique quantique

Article détaillé : Optique quantique.

Les problèmes liés au rayonnement du corps noir, à l'effet photoélectrique ont amené à considérer que la lumière était composée de paquets d'énergie (licht quanta, en allemand, d'après Einstein).
Plus tard, l'effet Compton a conduit à considérer la lumière comme constituée de particules à part entière : les photons.

Ceux-ci sont caractérisés par une masse nulle, une vitesse égale à c (célérité de la lumière), une énergie $E = h ν$ , où $ν$ est sa fréquence, et une quantité de mouvement $p=\hbar k$ avec $\hbar=h/2\pi$ avec h la constante de Planck et k le vecteur d'onde.

La théorie quantique de l'optique ou optique quantique a été créée pour concilier les deux aspects apparemment incompatibles de la lumière, l'aspect ondulatoire (phénomènes d'interférence, de diffraction ...) et l'aspect corpusculaire (effet photoélectrique, émission spontanée ...). L'optique quantique est essentiellement une reformulation de l'optique ondulatoire dans laquelle le champ électromagnétique est quantifié.

Avec l'optique quantique on abandonne toute certitude, on raisonne uniquement en terme de probabilités :

probabilité qu'un photon soit émis ou absorbé par un atome ;
probabilité qu'un photon émis par un atome ait une énergie donnée ;
probabilité qu'un photon se désintègre ;
....

[modifier] Les domaines de l'optique

[modifier] Notes et références

↑ Cette légende semble n'apparaitre qu'au VIe siècle de notre ère, dans les Machines extraordinaires d'Anthemius de Tralles.

[modifier] Voir aussi

perspective (perception visuelle)
spectroscopie, prisme (optique)
Système optique pour les éléments constitutifs basiques des instruments
Phénomène optique

[modifier] Liens internes

Concepts

Instruments d'optique

Physiciens

Mythes
- Le siège de Syracuse et les miroirs d'Archimède

Curiosités

Thèmes apparentés

[modifier] Liens externes

Pôle Optique Rhône-Alpes
Anamorphose 3d multiple Illusions optiques animées.
Animation expliquant la réflexion
www.supoptique.fr Site de l'École supérieure d'optique (appelée aussi : ESO ou SupOptique)
Net Opticien Site sur le Bts Opticien Lunetier et sur le monde de l'optique
Glossaire d'optique Glossaire illustré des termes de l'optique.

[modifier] Bibliographie

Ouvrages de vulgarisation
- (fr) Richard Feynman, Lumière et matière - Une étrange histoire, Seuil, 1999. (ISBN 9782020147583)
  Traduction française de : The Strange Theory of Light and Matter (1985). Il s'agit de la transcription par Ralph Leighton d'une série de quatre conférences données en 1983 à l'université de Californie à Los Angeles sur le thème de l'électrodynamique quantique (premier cycle des conférences Alix Mautner). Un livre remarquable permettant de comprendre les idées et les concepts de l'électrodynamique quantique sans aucunes connaissances préalables.

Articles de magazines
- (fr) La lumière dans tous ses états, Hors Série n°23 du magazine Pour la Science, 2006. (ISSN 12467685)
  Un ensemble d'articles couvrant les aspects les plus actuels de l'optique.

Ouvrages d'initiation (à partir du premier cycle universitaire)
- (fr) Richard Feynman, Le cours de physique de Feynman : Electromagnétisme (2 volumes), Dunod 1999. (ISBN 9782100048618) et (ISBN 9782100043163)
  Traduction française des célèbres Lectures on physics
- (fr) Richard Feynman, Le cours de physique de Feynman : Mécanique quantique (1 volumes), Dunod 2003 (ISBN 9782100049349)
  Traduction française des célèbres Lectures on physics
- (fr) Edward Purcell, Claude Guthmann & Pierre Lallemand, Cours de physique de Berkeley, tome 2 : Électricité et magnétisme, Dunod 1998. (ISBN 9782100040605)
- (fr) Franck Crawford, Cours de physique de Berkeley, tome 3 : Ondes, Dunod 1999. (ISBN 9782100045495)
- (fr) Cours de physique de Berkeley, tome 4 : Physique quantique, Dunod 1998. (ISBN 9782100040629)

Ouvrages de niveau plus avancé (deuxième et troisième cycle universitaire)
- (en) Amnon Yariv, Quantum Electronics, John Wiley & Sons (1988) (ISBN 9780471609971).
  This Third Edition of the popular text, while retaining nearly all the material of the previous edition, incorporates material on important new developments in lasers and quantum electronics. Covers phase-conjugate optics and its myriad applications, the long wavelength quaternary semiconductor laser, and our deepened understanding of the physics of semiconductor lasers--especially that applying to their current modulations and limiting bandwidth, laser arrays and the related concept of supermodes, quantum well semiconductor lasers, the role of phase amplitude coupling in laser noise, and free-electron lasers. In addition, the chapters on laser noise and third-order nonlinear effects have been extensively revised.
- (en) Anthony Siegman, Lasers, University Science Books (1990) (ISBN 9780935702118).
  Lasers is both a textbook and a general reference book with an emphasis on basic laser principles and theory. A unique feature is that it gives a complete, detailed, and accurate treatment of laser physics, building only on classical models, without requiring the reader to have a quantum mechanical background. It is for all scientists and engineers who work with lasers.
- (fr) Gilbert Grynberg, Alain Aspect & Claude Fabre, Introduction aux lasers et à l'optique quantique, Ellipses (1997) (ISBN 9782729857783)