OPTIQUE Principes physiques

Optique ondulatoire

On trouvera à l'article lumière, 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 μm pour le violet et 0,7 μm pour le rouge. 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).

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.