OPTIQUE Optique électronique

L'optique électronique ou plus généralement l' optique corpusculaire s'intéresse aux trajectoires d'électrons libres accélérés, et à tous les procédés permettant de guider ces particules dans un espace où règne un vide poussé.

On peut en effet se servir d'électrons issus d'une surface émissive pour obtenir l'image de cette surface sur un écran fluorescent, ou bien utiliser ces électrons accélérés sous quelques dizaines ou centaines de kilovolts pour former l'image d'un objet extrêmement mince, de quelques dizaines ou de quelques centaines de nanomètres (1 nm = 10^-9 m), placé sur le trajet du faisceau. Tous les efforts se portent alors sur le pouvoir séparateur des instruments et sur la mise au point de « lentilles » électroniques ayant des aberrations aussi faibles que possible. Les microscopes électroniques à très haute résolution permettent de voir des détails de l'ordre du dixième de nanomètre.

Tout autres sont les préoccupations des « opticiens », qui ont à concevoir des appareils dans lesquels les faisceaux d'électrons ou d'ions servent d'outils capables d'usiner des surfaces, d'impressionner des résines photosensibles, de créer des champs électromagnétiques de très haute fréquence, ou qui travaillent autour des grands accélérateurs produisant des faisceaux dont l'énergie va jusqu'à plusieurs centaines de gigaélectrons-volts (GeV). Il s'agit alors d'amener, de la source à la cible, le maximum de particules émises, tout en leur faisant traverser des diaphragmes.

Enfin, certains appareils permettent d'effectuer l'analyse de faisceaux composés soit de particules identiques, mais ayant des énergies différentes, soit de particules de types divers, d'énergies et de masses différentes. Des « prismes » ont été mis au point ; ils sont l'élément de base de spectromètres (de vitesses ou de masses) à haute résolution, dont les plus connus sont les spectromètres de masses et les séparateurs d'isotopes.

Les différents dispositifs élémentaires, lentilles ou prismes, sont constitués par des arrangements de champs électriques ou magnétiques, à symétrie de révolution, ou à symétrie plane, pouvant dévier la trajectoire des particules chargées.

L'optique électronique étudie à la fois les méthodes susceptibles de créer, dans un espace donné, les répartitions appropriées de ces champs et les trajectoires des particules qui traversent les lentilles et les prismes. L'association de tels dispositifs conduit, comme en optique de verre, à la réalisation d'instruments ayant chacun une fonction et des propriétés particulières.

Principes physiques

L'électron libre a été identifié à la fin du xix^e siècle. Mais ce n'est qu'une trentaine d'années plus tard que les expériences de Busch (1925), puis de Davisson et Calbick (1932) montrèrent que le champ magnétique créé par une bobine courte et le champ électrique régnant entre des diaphragmes métalliques plans coaxiaux pouvaient agir sur la trajectoire des particules comme le font les lentilles de verre sur des rayons lumineux. L'optique électronique était née.

Parmi les méthodes utilisées pour l'étude des lentilles ou des prismes, celle qui fait appel à l'analogie existant entre rayon lumineux et trajectoire du corpuscule – prévue dès 1827 par W. R. Hamilton – est de loin la plus familière ; elle permet de définir rapidement, pour tout système optique, les grandeurs classiques : foyer, plans principaux, distances focales objet et image, coefficients d'aberration, en fonction des paramètres géométriques et électriques. On peut élaborer des instruments comportant plusieurs lentilles ou prismes sans se préoccuper des trajectoires à l'intérieur des systèmes élémentaires, mais en tenant compte de la position de l'objet (réel ou virtuel)[...]