PHYSIQUE OPTIQUE: HISTOIRE, TERMES FRÉQUENTS, LOIS, APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

L' optique physique fait partie de l'optique étudiant la nature ondulatoire de la lumière et les phénomènes physiques qui ne sont compris qu'à partir du modèle ondulatoire. Il étudie également les phénomènes d'interférence, de polarisation, de diffraction et d'autres phénomènes qui ne peuvent être expliqués par l'optique 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.

Onde électromagnétique

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 en raison de la relation de Maxwell (1831–1879), qui établit ce qui suit:

Où c = Vitesse de propagation de l'onde.

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

L'histoire

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

Il a appelé le phénomène observé diffraction. Ses travaux expérimentaux l'ont amené à proposer 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 chemins rectilignes.

Robert Hooke (1635-1703) a défendu la nature ondulatoire de la lumière, dans ses études sur la couleur et la réfraction, affirmant 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, a consolidé la théorie des ondes de la lumière dans son Traité de la lumière (1690) dans lequel il supposait que les ondes lumineuses émises par les corps lumineux se propagent à travers d'un milieu subtil et élastique appelé éther.

La théorie des ondes de Huygens explique bien mieux les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffraction que la théorie corpusculaire de Newton, et montre que la vitesse de la lumière diminue lors du passage d'un milieu moins dense à un milieu plus dense.

Les idées de Huygens n'ont pas été acceptées par les scientifiques à l'époque pour deux raisons. Le premier était l'incapacité à 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 a influencé une grande majorité de scientifiques à décider de soutenir le paradigme corpusculaire de la lumière.

Renaissance de la théorie des vagues

Au début du 19e siècle, Tomas Young (1773–1829) réussit à convaincre la communauté scientifique d'accepter le modèle d'onde de Huygens sur la base des résultats de son expérience d'interférence lumineuse. L'expérience a permis de déterminer les longueurs d'onde des différentes couleurs.

En 1818, Fresnell (1788–1827) a réaffirmé la théorie des vagues 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) expliquèrent 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 propage plus rapidement dans l'air que dans l'eau, contredisant l'explication donnée par Newton.

En 1872, Maxwell a publié son Traité sur l'électricité et le magnétisme, dans lequel il énonçait les équations qui synthétisent l'électromagnétisme. De ses équations, il a obtenu l'équation d'onde qui lui a permis d'analyser le comportement d'une onde électromagnétique.

Maxwell a découvert que la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est liée au milieu de propagation et coïncide avec la vitesse de la lumière, concluant que la lumière est une onde électromagnétique.

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

Qu'étudie l'optique physique?

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

Ingérence

L'interférence est le phénomène par lequel deux ou plusieurs ondes lumineuses se chevauchent, coexistant dans la même région de l'espace, formant des bandes de lumière brillante et sombre.

Des bandes lumineuses sont produites lorsque plusieurs ondes sont ajoutées ensemble pour produire une onde de plus grande amplitude. Ce type d'interférence est appelé interférence constructive.

Lorsque les ondes se chevauchent pour produire une onde d'amplitude inférieure, l'interférence est appelée interférence destructrice et des bandes de lumière sombre sont produites.

Ingérence

La façon dont les bandes colorées sont réparties s'appelle le motif d'interférence. Des interférences peuvent être observées dans les bulles de savon ou les couches d'huile sur une route mouillée.

Diffraction

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

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

Au fur et à mesure que l'obstacle devient de plus en plus petit par rapport à la longueur d'onde, le phénomène de diffraction prédomine sur le phénomène de réflexion et de réfraction pour déterminer la distribution des rayons lumineux une fois qu'il heurte l'obstacle..

Polarisation

La polarisation est le phénomène physique par lequel l'onde vibre dans une seule direction perpendiculaire au plan contenant 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 ligne droite dans le plan de polarisation, on dit qu'elle est polarisée linéairement.

Lorsque le vecteur champ électrique de l'onde décrit un cercle dans le plan perpendiculaire à la même direction de propagation, en gardant 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, l'onde est dite elliptiquement polarisée.

Termes fréquents en optique physique

Polarisant

C'est un filtre qui permet seulement à une partie de la lumière orientée dans une seule direction spécifique de le traverser sans laisser passer les ondes orientées dans d'autres directions.

Front de vague

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

Amplitude et phase de l'onde

L'amplitude est l'allongement maximal d'une onde. La phase d'une onde est l'état de vibration à un instant du 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 selon lequel l'onde lumineuse réfléchie par la source est entièrement polarisée.

Infrarouge

Lumière non visible à l'œil humain 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 de 3 × 10 ⁸ m / s. La valeur de la vitesse de la lumière varie lorsqu'elle se propage dans un milieu matériel.

Longueur d'onde

Une mesure de la distance entre une crête et une autre crête ou entre une vallée et une autre vallée de la vague lors de sa propagation.

Ultra-violet

Rayonnement électromagnétique non visible avec un spectre de longueurs d'onde inférieur à 400 nm.

Lois de l'optique physique

Ci-dessous sont mentionnées quelques lois de l'optique physique qui décrivent les phénomènes de polarisation et d'interférence

Lois de Fresnell et Arago

1. Deux ondes lumineuses à polarisations linéaires, cohérentes et orthogonales n'interfèrent pas l'une avec l'autre pour former un diagramme d'interférence.

2. Deux ondes de lumière avec des polarisations linéaires, cohérentes et parallèles peuvent interférer dans une région de l'espace.

3. Deux ondes de lumière naturelle avec des polarisations linéaires, non cohérentes et orthogonales n'interfèrent pas l'une avec l'autre pour former un diagramme d'interférence.

Loi 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 qui forme l'axe de transmission du polariseur et l'axe de polarisation de la lumière incidente. En d'autres termes:

I = intensité de la 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 Malus

Loi de Brewster

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

Loi de Brewster

Applications

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

Cristaux liquides

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

Montre numérique avec affichage à cristaux liquides (LCD)

Conception de systèmes optiques

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

Métrologie optique

Il est chargé d'effectuer des mesures à haute résolution des paramètres physiques en fonction de l'onde lumineuse. Ces mesures sont effectuées avec des interféromètres et des instruments réfractifs. Dans le domaine médical, la métrologie est utilisée pour surveiller en permanence les signes vitaux des patients.

Recherches récentes en optique physique

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

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

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

L'effet Kerker est une proposition théorique qui nécessite des particules de matériaux avec des caractéristiques magnétiques et électriques qui n'existent pas actuellement dans la nature. Poshakinskiy et Poddubny ont obtenu le même effet sur des particules nanométriques, sans réponse magnétique significative, qui vibrent dans l'espace.

Les auteurs ont montré que les vibrations des particules peuvent créer des polarisations magnétiques et électriques interférentes 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 considérée.

Les auteurs proposent l'application de l'effet optique-mécanique dans des dispositifs optiques nanométriques 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) qui peut transmettre des informations sur les signes vitaux des personnes via des applications sur téléphones mobiles avec la technologie Android. Le système se compose d'un ensemble de capteurs et d'un concentrateur de diodes (matrice de LED).

Des 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 portable avec l'application optique.

Le réseau de LED émet de la lumière dans la gamme de longueurs d'onde de diffusion Rayleigh Gans Debye (RVB). Chaque couleur et combinaison de couleurs de la lumière émise sont liées à des signes vitaux.

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

Références

1. Effet Kerker optomécanique. Poshakinskiy, AV et Poddubny, A N.1, 2019, Physical Review X, Vol.9, pp. 2160-3308.
2. Diffusion électromagnétique par sphères magnétiques. Kerker, M, Wang, DS et Giles, C L. 6, 1982, Journal de l'Optical Society of America, Vol.73.
3. Communication optique extra-corporelle à l'aide de caméras de smartphone pour la transmission des signes vitaux humains. Dhatchayeny, D et Chung, Y.15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, A. Principes et pratiques d'optique physique. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Encyclopédie compagnon de l'histoire et de la philosophie des sciences mathématiques. New York, États-Unis: Routledge, 1994, Vol.II.
6. Akhmanov, SA et Nikitin, S Yu. Optique physique. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG et Lipson, H. Optique physique. Cambridge, Royaume-Uni: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A. Optique physique. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA et White, H E. Fondamentaux de l'optique. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.