Optique

L'optique, définition, c'est l'étude de la lumière, de ses propriétés et de son comportement. La lumière est essentielle à la vie. Sans la lumière du Soleil, les plantes ne pourraient pas produire l'oxygène dont nous avons besoin pour respirer. Sans la lumière du Soleil, il ferait si froid sur Terre qu'il n'y aurait pas même de plantes ou d'eau à l'état liquide. La lumière transmet la chaleur, l'énergie et également l'information. La vision est le sens principal que nous utilisons au quotidien. En un clin d’œil, on capte bien plus qu'avec des tonnes d'explications. D'ailleurs, la lumière se déplace un million de fois plus vite que le son, et contrairement au son, elle peut traverser l'immensité du vide de l'espace et nous atteindre depuis des étoiles lointaines. Les pensées viennent en images également. Les grandes créations humaines ont toutes été précédées par une vision, tantôt entrevue lors de l'éveil, tantôt perçues lors de rêves.

Étant donné la place primordiale qu'occupe la lumière dans notre existence, en physique également on s'intéresse à la lumière sous tous ses angles matériels. En optique géométrique, on apprend d'abord à comprendre la trajectoire de la lumière. Elle se déplace principalement en ligne droite bien sûr, mais elle est parfois déviée lorsqu'elle est réfléchie sur un miroir ou lorsqu'elle change de milieu, et en particulier lorsqu'elle traverse des lentilles pour former des images qui peuvent être agrandies ou réduites. Ensuite, vient l'optique ondulatoire, où l'on étudie les phénomènes d'interférence et de diffraction. Là, on apprend comment la lumière peut interagir avec elle-même pour s'intensifier ou au contraire s'assombrir. Cela s'explique par le fait que la lumière est une onde électromagnétique. Enfin, vient l'interprétation quantique de la lumière où l'on s'intéresse à la granularité de la lumière, c'est-à-dire le fait qu'elle soit composée de photons. C'est cette perspective qui a permis l'invention des lasers.

Figure 1. Lumière d'une bougie. La lumière est source de vie et d'inspiration. Elle joue un rôle capital dans nos vies.

Optique géométrique

Réflexion et Réfraction

Savais-tu que les objets semblent déformés lorsqu'ils sont plongés dans l'eau ? C'est un résultat que tu peux vérifier toi-même très facilement. Il te suffit de remplir un verre d'eau et d'y plonger un objet plutôt long et fin et l'inclinant par rapport à la verticale. Tu verras que la partie immergée parait plus inclinée encore que la partie qui est toujours en dehors de l'eau. C'est comme si au moment d'entrer dans l'eau, l'objet se tordait. C'est une illusion bien sûr, en fait, c'est l'image de l'objet qui est déformée par le passage entre l'eau et l'air. On peut voir un exemple de ce phénomène à la figure 2. On voit que l'image de la paille n'est pas la même selon le chemin pris par la lumière. L'image est légèrement déformée lorsque la lumière passe de l'eau à l'air, et elle est encore plus déformée ainsi qu'agrandie lorsque la lumière passe de l'eau au verre à l'air. On peut également apercevoir dans la photo un petit morceau de paille immergé et tourné vers le haut ou vers l'arrière. Peux-tu deviner comment il apparaît ?

Figure 2. Réfraction de la lumière dans un verre d'eau. La paille semble légèrement déformée en entrant dans l'eau. On peut également voir une image agrandie de la paille obtenue par un trajet différent de la lumière.

Les phénomènes que l'on vient de décrire proviennent tous de la réfraction de la lumière, sauf l'image du petit morceau de paille tourné vers le haut, qui elle provient en plus d'une réflexion de la lumière contre l'arrière du verre, agissant ainsi comme un miroir.

Formation des images

Assurons-nous avant d'aller plus loin de bien comprendre comment les images sont formées. Récapitulons les différentes étapes qui ont typiquement lieu lorsque l'on aperçoit quelque chose. Tout d'abord, un objet (par exemple, une plante) est éclairé par de la lumière. Puis, cet objet absorbe une partie de la lumière et rediffuse l'autre partie dans toutes les directions.

Ensuite, de la lumière ainsi diffusée doit parvenir à nos yeux. On accommode alors notre vision en se servant du cristallin de chaque œil pour faire converger cette lumière vers la rétine qui se trouve au fond de l'œil. Après quoi, un signal électrique est transmis par le nerf optique aux neurones de notre cerveau et, par un processus qui dépasse le cadre actuel de la physique, on interprète les signaux captés par nos yeux et on voit une image avec forme et couleurs de l'objet placé à une certaine distance de notre œil.

Maintenant, si un objet est placé devant une surface réfléchissante comme un miroir ou une vitre, comment se fait-il que je puisse également le voir en regardant cette surface ? D'où vient donc cette nouvelle image ? Pour comprendre cela, on peut se servir de la figure 3, où sont représentés différents rayons lumineux issus d'un point \(A\) et réfléchis sur un miroir. Ayons à l'esprit que la lumière se propage en temps normal en ligne droite, et c'est comme cela que notre cerveau interprète la chose : lorsque des rayons réfléchis par le miroir atteignent nos yeux, c'est comme si ces rayons s'étaient déplacés en ligne droite en provenance du point \( A' \) qui est le symétrique du point \(A\) par rapport au miroir. Voilà pourquoi on voit une image en \(A'\) en plus de l'image en \(A\) obtenue en captant les rayons directement sans passer par le miroir.

Figure 3. Formation de l'image d'un point \(A\) par un miroir. Notre cerveau interprète cela comme si les rayons étaient issus d'un point \(A'\) symétrique au point A par rapport au miroir.

Dispersion de la lumière

Tu as forcément vu un arc-en-ciel dans ta vie. Mais, as-tu une idée de ce qui le rend possible ? Et, d'abord, as-tu déjà vraiment bien observé un arc-en-ciel ? Par exemple, as-tu remarqué que l'on voit parfois un deuxième arc-en-ciel plus large, plus discret, et dont les couleurs sont inversées par rapport au premier ?

Tu auras peut-être deviné qu'un arc-en-ciel fait intervenir les phénomènes de réfraction et de réflexion. Mais, il y a autre chose encore que l'on appelle la dispersion de la lumière.

Newton montra que la lumière blanche du Soleil est composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel en la faisant traverser un prisme comme dans la figure 5 ci-dessous. On y voit un rayon incident en provenance du coin en bas à gauche, un rayon réfléchi vers le haut, et un rayon vers la droite et vers le bas qui a subi deux réfractions successives et qui se disperse en différentes couleurs. Cela provient du fait que la déviation de la lumière due à la réfraction dépend de sa fréquence, et celle-ci n'est pas la même pour différentes couleurs. Ainsi, on voit que le rouge est la couleur la moins déviée alors que le violet est la couleur la plus déviée.

Image 5. Dispersion de la lumière par un prisme. Le rayon incident est à la fois réfléchi et réfracté par le prisme, la réfraction permettant de séparer la lumière en différentes couleurs.

Nous entrerons plus dans les détails de tous ces phénomènes dans les articles suivants. Entre autres, nous apprendrons comment fonctionnent les lentilles qui se trouvent dans nos lunettes et dans les objectifs d'appareils photos. Pour le reste de cet article, passons en revue l'optique ondulatoire et l'optique quantique.

Optique physique et quantique

Il nous reste à voir l'optique physique, ou optique ondulatoire, où la lumière est vue comme une onde électromagnétique, ainsi que l'optique quantique, où la lumière est vue comme une particule.

Optique physique

En optique ondulatoire, on considère la lumière comme une onde qui peut donc interagir avec elle-même pour donner des phénomènes d'interférence et de diffraction. Elle peut également être absorbée par un milieu de grande densité optique, ce qui sert notamment en chimie pour analyser des substances.

Voyons un exemple d'interférence et un exemple de diffraction.

Interférence

Dans la figure suivante, une flaque d'huile ou d'essence est déposée sur le sol ce qui cause des interférences. Une partie de la lumière du jour qui se dirige vers le sol est directement réfléchie par l'huile et se dirige vers nos yeux. Une autre partie, en revanche, traverse l'huile et est réfléchie par le sol sous l'huile. Cette lumière a ainsi un plus long chemin à parcourir, mais elle vient malgré cela se recombiner avec la première partie pour atteindre nos yeux. Entre les deux chemins parcourus par la lumière, il y a ce que l'on appelle une différence de marche. Cela cause un déphasage entre les deux rayons lumineux, et en fonction de la longueur d'onde (et donc de la couleur), ce déphasage créé des interférences constructives (la lumière s'intensifie) ou destructives (la lumière s'assombrit). Or, la différence de marche dépend directement de l'épaisseur de la tache d'huile et de l'angle d'incidence, qui varient d'un endroit à un autre. C'est pourquoi, à un endroit donné de la tache, certaines couleurs sont amplifiées et d'autres sont atténuées, tandis qu'à un autre endroit de la tache, ce sont d'autres couleurs qui sont amplifiées et d'autres encore qui sont atténuées, ce qui engendre ce mélange surprenant de couleurs.

Figure 7. Interférence lumineuse sur une flaque d'huile. Selon l'épaisseur de la flaque à différents endroits, ce sont différentes couleurs qui ressortent.

Diffraction

Dans la figure suivante, on peut voir un motif typique de diffraction. Lorsque la lumière rencontre une petite ouverture ou un petit obstacle, elle est déviée de sorte que le faisceau s'élargit. C'est ce que l'on appelle la diffraction. Et, à mesure que l'on s'éloigne du faisceau initial pour aller vers les parties les plus déviées, on rencontre alternativement des maxima et des minima d'intensité lumineuse, c'est ce qui donne les anneaux que l'on voit à la figure 8.

À la différence des interférences, où seulement deux faisceaux interagissent, dans le cas de la diffraction, c'est un grand nombre de faisceaux qui interagissent entre eux. Tout se passe comme si toutes les petites sections de l'ouverture que rencontre la lumière se comportaient comme des nouvelles sources de lumière.

Optique quantique

La partie la plus récente de l'optique, qui prend son origine il y a déjà un siècle maintenant, concerne le comportement corpusculaire de la lumière. En physique quantique, on considère que la lumière est composée de petits paquets d'énergie appelés photons qui peuvent interagir avec la matière, par exemple, en transmettant leur énergie aux particules qui les absorbe. Cette interprétation de la lumière permet notamment de comprendre l'effet photoélectrique, le principe à l'aide duquel fonctionne les panneaux solaires. Et c'est cette théorie qui a permis d'inventer les lasers. Il s'agit d'une source de lumière très concentrée et très cohérente, c'est-à-dire que l'on peut aisément la manier, par exemple, en la séparant et en la recombinant à multiples reprises. Les lasers sont utilisés dans de nombreux domaines de la technologie et ont de nombreuses applications en médecine notamment. Par exemple, on peut soigner des troubles de la vision à l'aide des lasers. Il convient cependant de les manier avec précaution, car s'ils sont capables d'améliorer la vision, ils peuvent aussi la détériorer.