Optique physique: histoire, termes fréquents, lois, applications

L'optique physique est la partie de l'optique qui étudie la nature d'onde de la lumière et des phénomènes physiques qui ne sont compris que par le modèle d'onde. Il étudie également les phénomènes d'interférence, de polarisation, de diffraction et d'autres phénomènes inexplicables du point de vue géométrique.

Le modèle d'onde définit la lumière comme une onde électromagnétique dont les champs électriques et magnétiques oscillent perpendiculairement l'un à l'autre.

Le champ électrique ( E ) de l'onde lumineuse se comporte de manière similaire à son champ magnétique ( B ), mais le champ électrique prédomine sur le champ magnétique selon la relation de Maxwell (1831-1879), qui stipule ce qui suit:

E = cB

Où c = vitesse de propagation de l'onde.

L'optique physique n'explique pas le spectre d'absorption et d'émission des atomes. En revanche, l'optique quantique aborde l'étude de ces phénomènes physiques.

Histoire

L'histoire de l'optique physique commence avec les expériences de Grimaldi (1613-1663), qui a observé que l'ombre projetée par un objet illuminé était plus large et entourée de bandes de couleurs.

Le phénomène observé s'appelle la diffraction. Ses travaux expérimentaux l'ont amené à évoquer la nature ondulatoire de la lumière, par opposition à la conception d'Isaac Newton qui prévalait au XVIIIe siècle.

Le paradigme newtonien a établi que la lumière se comportait comme un rayon de petits corpuscules qui se déplaçaient à grande vitesse dans des trajectoires droites.

Robert Hooke (1635-1703) a défendu la nature ondulatoire de la lumière dans ses études sur la couleur et la réfraction, suggérant que la lumière se comportait comme une onde sonore se propageant rapidement presque instantanément à travers un milieu matériel.

Plus tard, Huygens (1629-1695), basé sur les idées de Hooke, consolida la théorie des ondes lumineuses dans son Traité de la lumière (1690) dans lequel il supposait que les ondes lumineuses émises par des corps lumineux se propageaient d'un milieu subtil et élastique appelé l' éther .

La théorie des ondes de Huygens explique les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffraction beaucoup mieux que la théorie corpusculaire de Newton et montre que la vitesse de la lumière diminue lorsque l'on passe d'un milieu moins dense à un milieu plus dense.

Les idées de Huygens n'ont pas été acceptées par les scientifiques de l'époque pour deux raisons. Le premier était l’impossibilité d’expliquer de manière satisfaisante la définition de l’ éther et le second était le prestige de Newton autour de sa théorie de la mécanique qui avait incité la grande majorité des scientifiques à décider de soutenir le paradigme corpusculaire de la lumière.

Renaissance de la théorie des vagues

Au début du XIXe siècle, Tomás Young (1773-1829) a réussi à convaincre la communauté scientifique d'accepter le modèle d'onde de Huygens à partir des résultats de son expérience d'interférence de la lumière. L'expérience a permis de déterminer les longueurs d'onde des différentes couleurs.

En 1818, Fresnell (1788-1827) a repensé la théorie des ondes de Huygens en termes de principe d'interférence. Il a également expliqué le phénomène de biréfringence de la lumière, ce qui lui a permis d'affirmer que la lumière est une onde transversale.

En 1808, Arago (1788-1853) et Malus (1775-1812) expliquent le phénomène de polarisation de la lumière à partir du modèle d'onde.

Les résultats expérimentaux de Fizeau (1819-1896) en 1849 et de Foucalt (1819-1868) en 1862 ont permis de vérifier que la lumière se propageait plus vite dans l'air que dans l'eau, en contradiction avec l'explication donnée par Newton.

En 1872, Maxwell publie son traité sur l'électricité et le magnétisme, dans lequel il énonce les équations qui synthétisent l'électromagnétisme. À partir de ses équations, il a obtenu l'équation d'onde permettant d'analyser le comportement d'une onde électromagnétique.

Maxwell a constaté que la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est liée au moyen de propagation et coïncide avec la vitesse de la lumière, aboutissant à la conclusion que la lumière est une onde électromagnétique.

Enfin, Hertz (1857-1894) en 1888 parvient à produire et à détecter des ondes électromagnétiques et à confirmer que la lumière est un type d’onde électromagnétique.

Qu'est-ce que l'optique physique étudie?

L'optique physique étudie les phénomènes liés à la nature d'onde de la lumière, tels que les interférences, la diffraction et la polarisation.

Interférence

L'interférence est le phénomène par lequel deux ou plusieurs ondes lumineuses sont superposées et coexistent dans la même région de l'espace, formant des bandes de lumière vive et sombre.

Des bandes lumineuses apparaissent lorsque plusieurs ondes sont ajoutées pour produire une onde de plus grande amplitude. Ce type d'interférence s'appelle interférence constructive.

Lorsque les ondes sont superposées pour produire une onde d'amplitude inférieure, l'interférence est appelée interférence destructive et des bandes de lumière noire sont produites.

La manière dont les bandes de couleurs sont distribuées s'appelle un motif d'interférence. L'interférence peut être observée dans les bulles de savon ou dans les couches d'huile d'une route mouillée.

Diffraction

Le phénomène de diffraction est le changement de direction de propagation de l'onde lumineuse lorsqu'elle rencontre un obstacle ou une ouverture, modifiant ainsi son amplitude et sa phase.

Comme le phénomène d'interférence, la diffraction est le résultat de la superposition d'ondes cohérentes. Deux ou plusieurs ondes lumineuses sont cohérentes lorsqu'elles oscillent à la même fréquence en maintenant une relation de phase constante.

Lorsque l'obstacle devient de plus en plus petit par rapport à la longueur d'onde, le phénomène de diffraction l'emporte sur le phénomène de réflexion et de réfraction dans la détermination de la distribution des rayons de l'onde lumineuse une fois qu'elle a heurté l'obstacle. .

Polarisation

La polarisation est le phénomène physique par lequel l'onde vibre dans une seule direction perpendiculaire au plan qui contient le champ électrique. Si l'onde n'a pas de direction de propagation fixe, on dit que l'onde n'est pas polarisée. Il existe trois types de polarisation: la polarisation linéaire, la polarisation circulaire et la polarisation elliptique.

Si l’onde vibre parallèlement à une ligne fixe décrivant une droite dans le plan de polarisation, elle est dite polarisée linéairement.

Lorsque le vecteur champ électrique de l'onde décrit un cercle dans le plan perpendiculaire à la même direction de propagation, tout en maintenant sa magnitude constante, on dit que l'onde est polarisée de manière circulaire.

Si le vecteur champ électrique de l'onde décrit une ellipse dans le plan perpendiculaire à la même direction de propagation, on dit que l'onde est polarisée de manière elliptique.

Termes fréquents en optique physique

Polariseur

C'est un filtre qui ne laisse passer qu'une partie de la lumière orientée dans une seule direction spécifique sans laisser passer les ondes orientées dans d'autres directions.

Front d'onde

C'est la surface géométrique sur laquelle toutes les parties d'une onde ont la même phase.

Amplitude et phase de l'onde

L'amplitude est l'allongement maximum d'une onde. La phase d'une onde est l'état de vibration dans un moment de temps. Deux ondes sont en phase lorsqu'elles ont le même état de vibration.

Angle de Brewster

C'est l'angle d'incidence de la lumière au moyen duquel l'onde de lumière réfléchie par la source est complètement polarisée.

Infrarouge

Lumière non visible à l'œil nu dans le spectre de rayonnement électromagnétique de 700 nm à 1000 µm.

Vitesse de la lumière

C'est une constante de vitesse de propagation de l'onde lumineuse dans le vide dont la valeur est 3 × 108m / s. La valeur de la vitesse de la lumière varie lorsqu'elle se propage dans un support matériel.

Longueur d'onde

Mesure de la distance entre une crête et une autre crête ou entre une vallée et une autre vallée de la vague à propager.

Ultraviolet

Rayonnement électromagnétique non visible dont le spectre de longueurs d'onde est inférieur à 400 nm.

Lois de l'optique physique

Voici quelques lois de l’optique physique décrivant les phénomènes de polarisation et d’interférence

Lois de Fresnell et Arago

1. Deux ondes lumineuses à polarisations linéaires, cohérentes et orthogonales ne se gênent pas pour former un motif d'interférence.

2. Deux ondes lumineuses à polarisations linéaires, cohérentes et parallèles peuvent interférer dans une région de l'espace.

3. Deux ondes de lumière naturelle à polarisations linéaires, non cohérentes et orthogonales ne se gênent pas pour former un motif d'interférence.

Loi de Malus

La loi de Malus stipule que l'intensité de la lumière transmise par un polariseur est directement proportionnelle au carré du cosinus de l'angle formant l'axe de transmission du polariseur et de l'axe de polarisation de la lumière incidente. En d'autres termes:

I = I ₀ cos2θ

I = I nité de lumière transmise par le polariseur

θ = angle entre l'axe de transmission et l'axe de polarisation du faisceau incident

I ₀ = intensité de la lumière incidente

Loi de Brewster

Le faisceau de lumière réfléchi par une surface est complètement polarisé, dans la direction normale au plan d'incidence de la lumière, lorsque l'angle qui forme le faisceau réfléchi par le faisceau réfracté est égal à 90 °.

Les applications

Certaines des applications de l'optique physique concernent l'étude des cristaux liquides, la conception de systèmes optiques et la métrologie optique.

Cristaux liquides

Les cristaux liquides sont des matériaux maintenus entre l’état solide et l’état liquide, dont les molécules ont un moment dipolaire qui induit une polarisation de la lumière qui leur tombe dessus. À partir de cette propriété, des écrans de calculatrice, des moniteurs, des ordinateurs portables et des téléphones cellulaires ont été développés.

Conception de systèmes optiques

Les systèmes optiques sont souvent utilisés dans la vie quotidienne, dans les sciences, dans la technologie et dans la santé. Les systèmes optiques permettent de traiter, d'enregistrer et de transmettre des informations provenant de sources lumineuses telles que le soleil, les LED, la lampe au tungstène ou le laser. Le diffractomètre et l'interféromètre sont des exemples de systèmes optiques.

Métrologie optique

Il est chargé de réaliser des mesures haute résolution de paramètres physiques en fonction de l'onde lumineuse. Ces mesures sont effectuées avec des interféromètres et des instruments de réfraction. Dans le domaine médical, la métrologie est utilisée pour effectuer une surveillance constante des signes vitaux des patients.

Recherches récentes en optique physique

Effet optomécanique de Kerker (AV Poshakinskiy1 et AN Poddubny, 15 janvier 2019)

Poshakinskiy et Poddubny (1) ont montré que des particules nanométriques à mouvement vibratoire peuvent manifester un effet opto-mécanique similaire à celui proposé par Kerker et al (2) en 1983.

L'effet Kerker est un phénomène optique consistant à obtenir une forte directivité de la lumière diffusée par des particules sphériques magnétiques. Cette directionnalité nécessite que les particules aient des réponses magnétiques de même intensité que les forces électriques.

L’effet Kerker est une proposition théorique qui requiert des particules de matériau aux caractéristiques magnétiques et électriques qui n’existent pas dans la nature.Phakkinsi et Poddoubny ont obtenu le même effet avec des particules nanométriques, sans réponse magnétique importante, qui vibrent dans l’espace.

Les auteurs ont démontré que les vibrations de la particule peuvent créer des polarisations magnétiques et électriques qui interfèrent de manière appropriée, car des composants de polarité magnétique et électrique du même ordre de grandeur sont induits dans la particule lorsque la diffusion inélastique de la lumière est prise en compte.

Les auteurs proposent d’appliquer l’effet optico-mécanique à des dispositifs optiques de taille nanométrique en les faisant vibrer par l’application d’ondes acoustiques.

Communication optique extracorporelle (DR Dhatchayeny et YH Chung, mai 2019)

Dhatchayeny et Chung (3) proposent un système expérimental de communication optique extracorporelle (OEBC) capable de transmettre des informations de signes vitaux concernant des personnes grâce à des applications pour téléphones mobiles dotées de la technologie Android. Le système comprend un ensemble de capteurs et un concentrateur de diodes (réseau de DEL).

Les capteurs sont placés sur diverses parties du corps pour détecter, traiter et communiquer les signes vitaux tels que le pouls, la température corporelle et la fréquence respiratoire. Les données sont collectées via le réseau de LED et transmises via la caméra du téléphone mobile avec l'application optique.

La matrice de LED émet de la lumière dans la plage de longueurs d'onde de dispersion de Rayleigh Gans Debye (RGB). Chaque couleur et combinaison de couleurs de la lumière émise sont liées aux signes vitaux.

Le système proposé par les auteurs peut faciliter la surveillance des signes vitaux de manière fiable, étant donné que les erreurs dans les résultats expérimentaux sont minimes.