Optique

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L'optique est la partie de la physique qui traite de la nature de la lumière et de son intéraction avec la matière. Elle 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 compréhension des phénomènes optiques.

Sommaire

Introduction

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

Au XVIIIe siècle 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 XIXe 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 XXe 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.

Optique géométrique

L'optique géométrique s'est développée sur la base d'observations simples, elle repose entièrement sur trois lois fondamentales et aucune hypothèse n'est faite sur la nature de la lumière :

Ces trois lois peuvent être condensées en une seule : le principe de Fermat

La résolution des problèmes se fait à l'aide de constructions géométriques, on calcule des angles, on trace des droites, 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.

Optique physique ou ondulatoire

Alors que l'optique géométrique est une optique purement phénoménologique fondée par l'observation, l'optique ondulatoire fait une hypothèse sur la nature de la lumière, elle l'assimile à une onde électromagnétique. L'optique ondulatoire permet de décrire de façon plus fine et plus complète l'intéraction de la lumière avec la matière, les notions de polarisation et d'interférence sont introduites, la détermination de la propagation de la lumière dans un milieu donné se fait par résolution des équations de Maxwell.

Optique quantique

La théorie quantique de l'optique ou optique quantique a été créée pour concilier 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 électomagnétique est quantifié.

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

  • 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
  • ...

Voir aussi

Thèmes apparentés

Tout ce qui permet de voir ou de voir mieux. L'œil est bien sûr le premier instrument d'optique naturel et déjà suivant l'animal concerné du chat à l'homme en passant par l'aigle, le poisson ou la mouche les procédés pour voir utilisés par la nature sont nombreux.

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