Le domaine de l`optique

UE 3A : Le domaine de lʼoptique
I- Lumière
La lumière désigne les rayonnements électromagnétiques visibles par lʼoeil humain, cad
compris dans des longueurs dʼonde de 0,40 à 0,78 micromètre. (400 nm (violet) à 780 nm
(rouge)).
La lumière est intimement liée à la notion de couleur.
Sources :
Sources:
Primaires
Sources chaudes Sources froides
Sfl t
Naturelles
(soleil)
Artificielles
(ampoules, bougie)
S
ources
fl
uorescen
t
es:
La bioluminescence (lucioles)
Chimiluminescence
,
DEL
Secondaires
,
n’émettent aucune lumière.
mais réfléchissent la lumière re
ç
ue: lune
,
p
lanètes
,
ob
j
et divers
ç
,
p,j
Avant le 18ième siècle, on considère la lumière comme étant un ensemble de rayons
lumineux se déplacant à des vitesses différentes dans les milieux transparents. De
nombreux instruments ont été construits (lunettes de Galilée).
Pendant plus de deux siècles de la fin du 17ième siècle à la fin du 19ième siècle deux
conception sur la nature de la lumière allaient se développer et sʼaffronter :
- Théorie corpusculaire : Newton => lumière est composée de particules
- Théorie ondulatoire : Huygens et Fresnel => lumière est une vibration (une onde) se
transmettant dans un milieu : lʼéther.
Au début du 19ième siècle, théorie ondulatoire sʼimpose : Expériences dʼinterférences de
Young et Fresnel : diffraction.
S source unique ponctuelle. S1 et S2 des sources secondaires restent en phase à tout
instant. (Notion dʼinterférence)
!"##$%&'()'*#+,--.+,-+#
/#
/+#
/-#
%0123#45167#89:;<38#=>7#7:?10>7@#
/-##>5#/+#7:35#=>7#7:?10>7#7>0:3=2;1>7#1>75>35#>3#AB27>#C#5:?5#;375235D#
/##7:?10>#?3;E?>#A:305?>99>#
F#

Phénomène de diffraction :
Trou circulaire Lumière monochromatique
Il y a aussi interférences sur lʼécran, car les ondes vont se combiner.
II- Onde - corpuscule
1- Onde
Maxwell (1873) montre que la lumière est une onde électromagnétique qui résulte de la
propagation dʼun champs électrique (vecteur E) et dʼun champs magnétique (vecteur B)
variant au cours du temps.
Maxwell (1873) montre que la lumière est une onde électromagnétique
qu
i r
ésu
lt
e
de
l
a
p
r
opaga
ti
o
n
d
’
u
n
c
h
a
m
p
é
l
ec
tri
que
E
e
t
d
’
u
n
c
h
a
m
p
qu ésu e de a p opaga o d u ca péec que edu c a p
magnétique B variant au cours du temps.
E (z,t) = E0cos( Zt-M)B (z,t) = B0cos( Zt-M)
E0B0:amplitudesdeschampsE0
,
B0:
amplitudes
des
champs
( Zt-M)phase Ȧ!pulsation (rad s-1)
"#$
M
phase à l’origine
Maxwell (1873) montre que la lumière est une onde électromagnétique
qu
i r
ésu
lt
e
de
l
a
p
r
opaga
ti
o
n
d
’
u
n
c
h
a
m
p
é
l
ec
tri
que
E
e
t
d
’
u
n
c
h
a
m
p
qu ésu e de a p opaga o d u ca péec que edu c a p
magnétique B variant au cours du temps.
E (z,t) = E0cos( Zt-M)B (z,t) = B0cos( Zt-M)
E
0
B
0
:amplitudesdeschamps
E
0
,
B
0
:
amplitudes
des
champs
( Zt-M)phase Ȧ!pulsation (rad s-1)
"#$
M
phase à l’origine
Le champs dépend de la dimension et du temps.
Champ électrique est la cause de la plupart des effets de la lumière.
E (z,t) = E0 cos (ωt - φ)

Pour z = constante
Champ électrique cause de la plupart des effets de la lumière.
Pour z
=
cte
T Période temporelle de l’onde
Pour
z
cte
! "##$%&'()%
Ȟ!fréquence (Hz ou s-1)
T période temporelle de lʼonde :
Champ électrique cause de la plupart des effets de la lumière.
Pour z
=
cte
T Période temporelle de l’onde
Pour
z
cte
! "##$%&'()%
Ȟ!fréquence (Hz ou s-1)
T : seconde , v : fréquence (Hz ou
s-1)
Pour t = constante
Pour t = cte
Ȝ!longueur d’onde (m)
Pour
t
=
cte
ȜPériode spatiale de l’onde
Ȟ!fréquence (Hz ou s
-1
)Ȟ!
fréquence
(Hz
ou
s )
C: célérité de l’onde
(id)(
v
id
e
)
λ : longueur dʼonde (m)
λ période spatiale de lʼonde
Pour t = cte
Ȝ!longueur d’onde (m)
Pour
t
=
cte
ȜPériode spatiale de l’onde
Ȟ!fréquence (Hz ou s
-1
)Ȟ!
fréquence
(Hz
ou
s )
C: célérité de l’onde
(id)(
v
id
e
)
ν : fréquence (Hz ou s-1) c : célérité de lʼonde (vide)
Onde électromagnétique (EM)
Onde électromagnétique
!"#$%&%'()"#(& O
!
o
!
X
!
"
o
#
$
Y
2 cham
p
s sinusoïdaux
p
er
p
endiculaires E et B
se propageant en phase
ppp
à la même vitesse (c dans le vide)
dditiiltdili(dt l)d
ans une
di
rec
ti
on qu
i
l
eur es
t
perpen
di
cu
l
a
i
re
(
on
d
e
t
ransversa
l
e
)
.
2 champs sinusoïdaux perpendiculaires
Onde électromagnétique
!"#$%&%'()"#(& O
!
o
!
X
!
"
o
#
$
Y
2 cham
p
s sinusoïdaux
p
er
p
endiculaires E et B
se propageant en phase
ppp
à la même vitesse (c dans le vide)
dditiiltdili(dt l)d
ans une
di
rec
ti
on qu
i
l
eur es
t
perpen
di
cu
l
a
i
re
(
on
d
e
t
ransversa
l
e
)
.
se propageant en phase, à la meme
vitesse (c dans le vide), dans une direction qui leur est perpendiculaire (onde
transversale).
Cette onde est progressive (analogie avec onde à la surface de lʼeau avec la lumière).
Exemple : flotteur

Cette onde est
p
ro
g
ressive
(
analo
g
ie avec onde à la surface de l’eau
)pg ( g )
Exemple : flotteur
Pas de transport de matière
R d’ d
Onde transporte de l’énergie
R
ayon
d’
on
d
e
Sf d’ d l
Surfaces d’onde sphériques
S
ur
f
aces
d’
on
d
e p
l
anes
Rayon lumineux
Faisceau lumineux
Grande distance
La lumière est émise dans toutes les directions. Le vecteur montre la progression de
lʼonde dans lʼespace.
Contrairement à lʼonde mécanique lʼonde lumineuse ne transporte pas de matière. Cette
onde transporte de lʼénergie.
Cette onde est
p
ro
g
ressive
(
analo
g
ie avec onde à la surface de l’eau
)pg ( g )
Exemple : flotteur
Pas de transport de matière
R d’ d
Onde transporte de l’énergie
R
ayon
d’
on
d
e
Sf d’ d l
Surfaces d’onde sphériques
S
ur
f
aces
d’
on
d
e p
l
anes
Rayon lumineux
Faisceau lumineux
Grande distance
Cette onde est
p
ro
g
ressive
(
analo
g
ie avec onde à la surface de l’eau
)pg ( g )
Exemple : flotteur
Pas de transport de matière
R d’ d
Onde transporte de l’énergie
R
ayon
d’
on
d
e
Sf d’ d l
Surfaces d’onde sphériques
S
ur
f
aces
d’
on
d
e p
l
anes
Rayon lumineux
Faisceau lumineux
Grande distance
Les rayons sont perpendiculaires aux surfaces dʼondes. Lʼensemble de ces rayons
lumineux forment le faisceau lumineux.
Contrairement aux ondes mécaniques (son, rides à la surface de lʼeau), la lumière nʼa pas
besoin de milieu matériel pour se propager (vide). Vitesse de propagation (célérité) c.
Dʼaprès la théorie de Maxwell dans le vide :
Contrairement aux ondes mécaniques (son, rides à la surface de
l’eau), la lumière n’a pas besoin de milieu matériel pour se propager
(vide) Vitesse de propagation (célérité) c(vide)
.
Vitesse
de
propagation
(célérité)
c
D’après la théorie de Maxwell dans le vide:
H!"#$%&''&(&')*+(&*#,-./0'#
P
!1"#$%)23&4&')*+(&*#,5./0'#
La vitesse de la lumière dans le vide est :
-Indépendante de la fréquence
-Indépendante du référentiel d’étude
-
c
=
2997924610
8
ms
-1
#310
8
ms
-1
c
2
,
9979246
10 m
s#3
10 m
s
La vitesse de la lumière dans le vide est :
- indépendante de la fréquence
- indépendante du référentiel dʼétude
-
Contrairement aux ondes mécaniques (son, rides à la surface de
l’eau), la lumière n’a pas besoin de milieu matériel pour se propager
(vide) Vitesse de propagation (célérité) c(vide)
.
Vitesse
de
propagation
(célérité)
c
D’après la théorie de Maxwell dans le vide:
H!"#$%&''&(&')*+(&*#,-./0'#
P
!1"#$%)23&4&')*+(&*#,5./0'#
La vitesse de la lumière dans le vide est :
-Indépendante de la fréquence
-Indépendante du référentiel d’étude
-
c
=
2997924610
8
ms
-1
#
310
8
ms
-1
c
2
,
9979246
10
m
s
#
3
10
m
s
Les radiations électromagnétiques couvrent un large domaine de longueurs dʼonde (ou de
fréquences) => spectre électromagnétique :

Les radiations électromagnétiques couvrent un large domaine deLes
radiations
électromagnétiques
couvrent
un
large
domaine
de
longueurs d’onde (ou de fréquences) spectre électromagnétique:
lu
mi
ère
vi
si
ble
lu
mi
ère
vi
si
ble
780 nm
400 nm
Ondes hertziennes
rayons Ȗradio FM-AM-GO
télévision
micro ondes
IR
lasers
UV
rayons xradar
Ȝ!"#
10 104
102 110-3 10-6 10-9 10-12 10-710-1
Ȟ!$%#fréquence
La progression se fait en fonction de la longueur dʼonde. Longueur dʼonde et fréquence
varient dans le sens inverse.
Propagation de la lumière.
Lumière «blanche» mélange de toutes les couleurs du spectre du visible : onde
polychromatique.
Onde monochromatique => une seule longeur dʼonde (fréquence).
Seuls les lasers permettent dʼobtenir une onde monochromatique.
Milieu de propagation :
- Transparent
- Homogène : mêmes propriétés en tous ces points (indice n).
- Isotrope : milieu dont les propriétés physiques (ex : vitesse de la lumière) sont les
mêmes dans toutes les directions (vide et lʼair).
La lumière se propage en ligne droite.
Propagation dans les milieux naturels :
Dans un milieu matériel, la vitesse de propagation V de lʼonde est différente de c. La
vitesse va donc dépendre du milieu dans lequel va se déplacer lʼonde.
Onde monochromatique =>
propagation dans les milieux naturels:
Dans un milieu matériel, la vitesse de propagation vde l’onde est
différente de c.
O
On appelle indice de réfraction absolu nd
’
un milieu le rapport:
Onde monochromatique
O
 vxTou v
X
O
On
appelle
indice
de
réfraction
absolu
ndun
milieu
le
rapport:
n > 1 O= cte
Dans le vide O
0
= c xT
or
indice de réfraction absolu dépend de O
0or
On appelle indice de réfraction absolu n dʼun milieu le rapport :
propagation dans les milieux naturels:
Dans un milieu matériel, la vitesse de propagation vde l’onde est
différente de c.
O
On appelle indice de réfraction absolu nd
’
un milieu le rapport:
Onde monochromatique
O
 vxTou v
X
O
On
appelle
indice
de
réfraction
absolu
ndun
milieu
le
rapport:
n > 1 O= cte
Dans le vide O
0
= c xT
or
indice de réfraction absolu dépend de O
0
or
Valeurs de n :
n =1 => air et vide n = 1,333 = 4/3 => eau
Milieu dispersif => vitesse de lʼonde dépend de la fréquence (ou λ) («verres» de vue en
polycarbonate, prisme).
Mais, dans un milieu transparent, la fréquence de la radiation est la meme que dans le
vide. La vitesse est indépendante du milieu de propagation (vitesse fixée par la source