L'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision.) est la branche de la physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...) qui traite de la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...) et de ses relations avec la vision.

Les théories de l'optique

Introduction

Historiquement, l'optique, apparue dès l'Antiquité, a d'abord été géométrique.
L'optique géométrique propose une analyse de la propagation de la lumière basée sur des principes simples : la propagation rectiligne, la réflexion et la réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la...). Elle s'est perfectionnée jusqu'au XVIII^e siècle, où la découverte de nouveaux phénomènes tels que la déformation de la lumière au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite...) d'obstacles ou le dédoublement de la lumière lors de la traversée de certains cristaux ont conduit au XIX^e siècle au développement de l'optique physique ou ondulatoire.
L'optique ondulatoire (L'optique ondulatoire est la discipline qui étudie la lumière en la considérant comme étant une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés...) électromagnétique....) considère la lumière comme une onde, elle prend en compte les phénomènes d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent. Ce phénomène...), de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement...) et de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux...).

Au début du XX^e siècle les théories d'Einstein sur la nature corpusculaire de la lumière donneront naissance au photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique....) 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. À partir de là, Louis de Broglie considère, au travers de la mécanique ondulatoire (La mécanique ondulatoire est, comme son nom l'indique, une mécanique régie par la propagation d'une onde de probabilité.), que si le photon peut se comporter comme un corpuscule, à l'inverse, les corpuscules tels que les électrons ou les protons peuvent se comporter comme des ondes.

Optique géométrique

L'optique géométrique s'est développée sur la base d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide...) simples, elle repose sur deux principes et deux lois empiriques :

• La propagation rectiligne dans un milieu homogène et isotrope
• Le principe du retour inverse qui exprime la réciprocité du trajet lumineux entre source et destination.
• La loi de Snell-Descartes pour la réflexion

• La loi de Snell-Descartes pour la réfraction

La résolution des problèmes se fait à l'aide de constructions géométriques, on calcule des angles, on trace (De manière générale, une trace est l'influence d'un événement sur son environnement. On utilise parfois le terme...) des droites matérialisant des rayons, 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa...) du système n'est comparable ou inférieure à la longueur (La longueur d’un objet représente la distance entre deux de ses extrémités, les plus éloignées possibles. Lorsque...) d'onde considérée. On dit que l'on est dans le domaine d'approximation de Gauss.

L'optique géométrique part des lois phénoménologiques de Descartes (pour les francophones) ou de Snell (pour les anglophones), disons donc des lois de Descartes-Snell sur la réflexion et la réfraction et du constat que dans un milieu homogène (et transparent) la lumière va en ligne droite.

Ensuite il suffit de faire de la géométrie respectant ces lois pour obtenir toutes les formules de base de l'optique géométrique concernant les miroirs, les dioptres et les lentilles ou leurs combinaisons en doublet constituant ainsi des instruments d'optique dits du visible.

Une synthèse Miroir (Un miroir est une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion. C'est souvent une couche...) Dioptre (En optique, un dioptre est une surface séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction différents. Si la...) Lentille est obtenue en appliquant la formule de Descartes et du grandissement.

Optique ondulatoire et optique physique

Alors que l'optique géométrique est une optique purement phénoménologique et ne fait pas d'hypothèse sur la nature de la lumière, hormis éventuellement qu'elle transporte de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...), l'optique ondulatoire (parfois appelée “optique physique”) modélise la lumière par une onde.

Le modèle de l'onde scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par...) (principe de Huygens-Fresnel) permet d'interpréter les phénomènes de diffraction (lors du passage par un trou, une fente étroite, près d'un bord...) et d'interférences. Les calculs reposent alors sur la somme des amplitudes d'ondes sinusoïdales qui se superposent, somme qui, suivant le déphasage, peut conduire à un résultat nul. La superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs...) de deux faisceaux peut ainsi donner l'obscurité. C'est ce qu'on observe au niveau des zones sombres des figures d'interférence ou de diffraction.

Il faut ensuite considérer qu'il s'agit d'une onde transversale si l'on veut interpréter les phénomènes de polarisation. Enfin, Maxwell permettra de comprendre que les ondes lumineuses ne sont que des ondes électromagnétiques caractérisées par un domaine de longueurs d'ondes qui les rend visible pour l'homme.

L'optique physique est le nom d'une approximation haute fréquence (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le...) (petite longueur d'onde) couramment utilisée en optique, en physique appliquée ou en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la...) électrique. Dans ces contextes, c'est une méthode intermédiaire entre l'optique géométrique, qui ignore les effets ondulatoires et l'optique ondulatoire qui est une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage...) physique exacte.

Cette approximation consiste à utiliser les rayons de l'optique géométrique pour estimer les champs sur une surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent...) puis intégrer ces champs sur toute la surface éclairée pour déterminer les champs transmis et réfléchis.

Dans les domaines optiques et radiofréquences, cette approximation est utilisée pour calculer les effets d'interférences, de polarisation et estimer les effets de diffraction. Comme toutes les approximations hautes fréquences, l'approximation de l'optique physique gagne en pertinence à mesure que l'on travaille avec de hautes fréquences.

La méthode consiste généralement à approcher la densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume...) surfacique de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) à la surface d'un objet par la densité de courant induite par le champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) incident , comme c'est le cas sur un plan métallique infini. C'est pour cela que l'approximation de l'optique physique est parfois appelée “hypothèse du plan tangent”.

La densité de courant électrique au point (Graphie) Q de la surface éclairée est alors calculée par la relation :

où correspond au vecteur normal unitaire extérieur à la surface éclairée. Dans les zones d'ombre (surface non-éclairée selon l'hypothèse de l'optique géométrique), la densité de courant considérée comme nulle. Les champs rayonnés par la surface sont ensuite calculés en intégrant la densité de courant électrique sur la surface éclairée avec des expressions intégrales des équations de Maxwell, par exemple les équations intégrales de Stratton-Chu, de Kottler ou de Franz.

À cause de l'hypothèse effectuée sur la densité de courant électrique à la surface d'un objet, cette approximation est d'autant plus correcte lorsque les objets étudiés sont grands devant la longueur d'onde et avec des surfaces lisses. Pour la même raison, cette densité de courant approchée est inexacte à proximité des discontinuités comme des arêtes ou les frontières entre la zone éclairée et les zones d'ombre. De plus, cette approximation ne rend pas compte des ondes rampantes.

Optique quantique

Les problèmes liés au rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement...) du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En...), à l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la...) ont amené à considérer que la lumière était composée de paquets d'énergie (licht quanta, en allemand, d'après Einstein).
Plus tard, l'effet Compton a conduit à considérer la lumière comme constituée de particules à part entière : les photons.

Ceux-ci sont caractérisés par une masse nulle, une vitesse (La vitesse est une grandeur physique qui permet d'évaluer l'évolution d'une quantité en fonction du temps.) égale à c (célérité de la lumière), une énergie E = hν, où ν est sa fréquence, et une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre...) de mouvement avec avec h la constante de Planck et k le vecteur d'onde.

La théorie quantique de l'optique ou optique quantique a été créée pour concilier les 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 électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des...) est quantifié.

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

• probabilité (Probabilité vient du latin probare (prouver, ou tester). Le mot probable signifie « qui peut se produire »...) qu'un photon soit émis ou absorbé par un atome ;
• probabilité qu'un photon émis par un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...) ait une énergie donnée ;
• probabilité qu'un photon se désintègre ;
• ....

Les domaines de l'optique