L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.
Historiquement, l'optique, apparue dès l'Antiquité, a d'abord été géométrique.
L'optique géométrique (L'optique géométrique est une branche de l'optique qui s'appuie notamment sur la notion...) propose une analyse de la propagation de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) basée sur des principes simples : la propagation rectiligne et le retour inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...). Elle a pu expliquer les phénomènes de la réflexion et de la réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...). Elle s'est perfectionnée jusqu'au XVIIIe 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...) d'obstacles ou le dédoublement de la lumière lors de la traversée de certains cristaux, a conduit au XIXe siècle au développement de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) ou ondulatoire.
L'optique ondulatoire (L'optique ondulatoire est la discipline qui étudie la lumière en la considérant comme étant une...) 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...), de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) et de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...).
Au début du XXe 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...) et à l'optique quantique. Les physiciens sont alors contraints d'admettre que la lumière présente à la fois les propriétés d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) et d'un corpuscule. À partir de là, Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, prince, puis duc de Broglie (15 août 1892 à Dieppe,...) considère, au travers de la mécanique ondulatoire (La mécanique ondulatoire est la forme initiale de la mécanique quantique avant que...), que si le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) peut se comporter comme un corpuscule, alors, à l'inverse, les corpuscules tels que les électrons ou les protons peuvent se comporter comme des ondes.
L'optique géométrique s'est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) sur la base d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) simples et repose sur deux principes et des lois empiriques :
La résolution des problèmes se fait à l'aide de constructions géométriques (tracés de droites matérialisant les rayons, calculs d'angles), 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...) du système n'est comparable ou inférieure à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de la lumière utilisée.
L'optique géométrique permet de retrouver la quasi-totalité des résultats concernant les miroirs, les dioptres et les lentilles ou leurs combinaisons en doublet et systèmes optiques constituant notamment les instruments d'optique.
De plus, dans le cadre de l'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) de Gauss, l'optique géométrique donne des relations mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) linéaires permettant l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'outils mathématiques tels que les matrices et la systématisation des calculs par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...).
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...), 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...) (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...) 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 visibles pour l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...).
L'optique physique est le nom d'une approximation haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) (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...) 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,...) physique exacte.
Cette approximation consiste à utiliser les rayons de l'optique géométrique pour estimer les champs sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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 et 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 ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) surfacique de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) à la surface d'un objet par la densité de courant (La densité de courant électrique est définie comme le courant électrique par unité de surface...) induite par le champ magnétique 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 (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement...) (surfaces non-éclairées selon l'hypothèse de l'optique géométrique), la densité de courant est 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 (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), 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.
Les problèmes liés au rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend...) et à l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...) 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 (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) nulle, une vitesse (On distingue :) égale à c (célérité de la lumière), une énergie E = hν, où ν est la fréquence de l'onde électromagnétique (L'onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les...) associée, et une quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse...) avec où h désigne 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 (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...) est quantifié.
Avec l'optique quantique on abandonne toute certitude, on raisonne uniquement en termes de probabilités :