Chapitre 1 : Introduction à l'optique géométrique I introduction








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Chapitre 1 : Introduction à l'optique géométrique



I - Introduction



L'optique est la partie de la physique qui a pour objet l'étude des phénomènes lumineux, c'est-à-dire des phénomènes qui sont perçus par l'oeil.

Cependant la sensibilité de l'oeil est réduite au domaine du visible. Il existe donc des radiations lumineuses non perçues par l'oeil (UV, IR, ...). Aussi l'on étend le domaine de l'optique à l'étude de tous les phénomènes engendrés par une cause de même nature que celle qui entraine l'apparition de phénomènes visuels.

Les effets produits par les radiations sont divers :
        impression d'une plaque photographique (due à une réaction chimique) ;
        courant électrique produit par insolation dans une photopile ;
        élévation de la température dans un four solaire ; etc.

Il est de tradition de séparer l'optique géométrique de l'optique physique.
 
 

L'optique géométrique s'intéresse à des effets macroscopiques tels que la propagation, la réflexion et la régraction de la lumière. On peut rendre compte de ces phénomènes grâce à quelques idées relativement simples que l'on exprime sous forme de deux groupes de lois :
        1. la loi de la propagation rectiligne de la lumière
        2. les lois de Snell-Descartes conçernant la réflexion et la réfraction
Ces deux groupes de lois peuvent d'ailleurs être exprimées simultannément par une seule proposition appelée le principe de Fermat.
L'optique géométrique ne fait aucune hypothèse sur la nature de la lumière, sur son mode ou sa vitesse de propagation. Et pourtant, à partir de là, on a pu étudier et perfectionner des instruments d'optique.

Avec l'optique physique, on étudie les phénomènes dont l'explication est nécessairement liée à des hypothèses sur la nature de la lumière et sur son mécanisme de propagation. Ce sont en particulier les phénomènes d'interférence, de diffractuion, de polarisation, d'émission, d'absorption et différents effets : photothermique, photochimique, photoélectrique, etc.
Certains de ces phénomènes se produisent lorsque la lumière traverse un instrument d'optique. L'étude de ces instruments que l'on déduit des lois de l'optique géométrique n'est donc qu'une première approche. Ainsi on a   pu amoéliorer le pouvoir de résolution du microscope lorsqu'on a su tenir compte des phénomènes de diffraction.

Nous ne parlerons pas dans ce cours d'optique non linéaire mais il faut savoir qu'elle existe.
Un cristal liquide est un exemple de matériau qui donne lieu à des phénomnes d'optique non linéaires : lorsque l'on éclaire en lumière blanche (contenant toutes les radiations lumineuses) un cristal liquide, celui-ci ne  réfléchit qu'une seule couleur déterminée par la nature même du cristal liquide.
 
 

II - Petit rappel historique de l'évolution des idées



ARCHIMÈDE 287 à 212 av JC : a-t-il incendié la flotte romaine devant Syracuse ? Il s'agit sans doute d'une légende car il est très difficile de renvoyer de lalumière à l'aide de miroirs sur une cible mouvante.

ANTIQUITÉ -3000 à 477, arrivée des francs : notion de rayons lumineux, loi de la réflexion et l'idée que la lumière suit le chemin qui a le temps de parcours minimum germe.

CLAUD PTOLÉMÉE 90-168 : mathématicien, astronome, géographe grec d'Alexandrie. On lui doit un traité d'optique et des tables de mesure concernant la réfraction.

ALHAZEN 965-1039 : physicien arabe, comprend le premier que l'oeil n'émet pas de rayons venant ``scruter'' les objets mais que ceux-ci, éclairés par des sources, sont à l'origine de rayons lumineux rectilignes.

1609 - GALILÉE 1564-1642 : physicien et astronome italien. On lui doit la lunette astronomique avec laquelle il découvre les satellites de Jupiter, les anneaux de Saturne, les taches et la rotation du Soleil. La cours de Rome le dénonce comme hérétique et il doit abjurer devant l'inquisition (1633).

1611 - KEPLER 1571-1630 : astronome allemand. Son ouvrage ``Dioptrique'' (dans lequel il expose le principe d'une lunette à deux lentilles convergentes), publié en 1611, est l'ouvrage d'optique le plus important publié avant l'``Optique'' de Newton. Découvre le mouvement élliptique des planètes autour du Soleil.

A la même époque, construction du premier microscope.

1620 - SNELL 1580-1626 : astronome et mathématicien hollandais. Découvre la loi de la réfraction.

1666 - NEWTON 1642-1727 : mathématicien, physicien et astronome anglais. A l'aide d'un écran percé d'un trou, suivi d'un prisme, il découvre, en projetant la lumière sur le mur opposé qu'elle se compose d'une infinité de couleurs.

1672 - NEWTON 1642-1727 : construction du premier télescope.

1673 - DESCARTES 1596 - 1650 : philosophe et scientifique français. Formalise les lois de la réflexion et réfraction. Publication d'un ouvrage ``Dioptrique''. Le problème de stigmatisme est posé et Descartes donne une théorie de l'arc-en-ciel mais ignore la complexité de la lumière blanche, il ne peut pas expliquer la coloration de l'arc-en-ciel.

1676 - ROENER : première mesure de la vitesse de la lumière à l'observatoire de Paris.

1704 - NEWTON : publication d'un traité d'optique dans lequel il explique la complexité de la lumière blanche. Celle-ci serait formée de corpuscules : grains de nature imprécise lancés à toute vitesse par l'émetteur. Il explique ainsi la coloration de l'arc-en-ciel.

1802 - YOUNG 1773-1829 : médecin et physicien anglais. Effectue la première mesure de longueur d'onde à partir de ses célèbres fentes. Il découvre aussi l'accomodation du cristallin et les interférences lumineuses.

A la même époque, MALUS, FRESNEL et ARAGO étudient la polarisation de la lumière. Fresnel suppose que la lumière est propagée par le mouvement vibratoire d'un milieu hypothétique, l'éther. Aucun renseignement n'est donné sur ce milieu.

1870 - MAXWELL 1831-1879 : physicien écossais. Elabore une théorie permettant d'unifier l'optique et les phénomènes électromagnétiques. Dans sa théorie électromagnétiques, les ondes lumineuses (visibles ou invisibles) sont constituées d'un champ électrique perpendiculaire à un champ magnétique avec des intensités variant périodiquement dans l'espace et dans le temps.

1905 - EINSTEIN 1879 - 1955 : physicien allemand. Explore la notion de photon pour interpréter l'effet photoélectrique. Des corps convenanblement illuminés expulse des photons. Or il faut fournir énormément d'énergie à un atome pour lui arracher des électrons. Par ailleurs cette extraction se fait sur des niveaux d'énergie discontinus. L'apport énergétique de la lumière se fait sous forme corpusculaire (notion de photons). L'extraction étant obligatoirement continue si la lumière était uniquement de nature ondulatoire. Grâce à l'apport de la mécanique ondulatoire, LOUIS DE BROGLIE, en 1924, a concilié les deux aspects : corpusculaire et ondulatoire.

On doit à l'époque contemporaine de nombreux perfectionnements en optique instrumentale. L'introduction de la transformée de Fourier a permis de mieux comprendre le rôle de l'optique physique dans la formation des images, les méthodes informatiques permettant d'effectuer des tracés systématiques de rayons et d'introduire des méthodes mathématiques très puissantes dans le traitement des images (ex : Hubble).

L'invention du laser (1960), de l'holographie (imaginée en 1949 par Gabor, n'a donné des résultats satisfaisants qu'en 1960 grâce aux lasers qui fournissent une lumière cohérente), l'utilisation de fibres optiques (400 000 communications téléphoniques en même temps sur la même fibre, 5Gbits/s) sont quelques uns des aspects de l'optique moderne.
 
 
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