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 ; l'optique physiologique traite de la formation des images dans l'œil et de leur perception ; 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).

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.

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 critiquable – 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[...]