Optique Ondulatoire
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Lycée Victor Hugo Spé PC⋆ Caen Physique ✟ ☛ Optique Ondulatoire ✠ ✡ Table des matières 1 Notions d’optique ondulatoire 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Notions sur la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Interaction atome-rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Rayonnement thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Rayonnement Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Intensité du rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Expérience de Wiener (1890) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Détecteurs optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Intensité du rayonnement (éclairement) . . . . . . . . . . 1.4 Vibration lumineuse scalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Polariseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Loi de Malus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Lames à retard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4 Lumière naturelle non-polarisée : modèles stochastiques 1.4.5 Vibration lumineuse scalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Vibration lumineuse scalaire monochromatique . . . . . . . . . 1.6 Rayon lumineux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Chemin optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Surfaces d’onde - Théorème de Malus (1808) . . . . . . . . . . . . 1.9 Onde sphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10 Onde plane - Onde localement plane . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11 Faisceau Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12 Train d’ondes quasi-monochromatique ; notion de cohérence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Interférences non-localisées de deux ondes cohérentes (I) : théorie élémentaire 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 Interférences 2.1 Notion d’interférence . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Conditions d’interférence . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Formule des interférences - Facteur de contraste 2.4 Ordre d’interférence . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Champ d’interférence - Figure d’interférence . . 2.6 (HP) Interférences en lumière polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 3 Division du front d’onde : trous d’Young (1802) 3.1 Dispositif des trous d’Young . . . . . . . . . . 3.2 Différence de marche . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Éclairement ; interfrange . . . . . . . . . . . . 3.4 Fente-source de largeur finie . . . . . . . . . 3.5 Source polychromatique . . . . . . . . . . . . 3.6 Introduction d’une lame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . II Diffraction : optique de Fourier et filtrage spatial 4 Mise en évidence expérimentale de la diffraction 4.1 Diffraction par le bord d’un écran . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Diffraction par une ouverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Étude d’une fente (I) - Champ proche / champ lointain 4.2.2 Notion de transparence complexe . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Étude d’une mire sinusoïdale . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Étude d’un réseau infini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Étude d’une fente (II) - Notion d’optique de Fourier . . Compilé le 8/11/2015 1 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 4 Document LATEX2ǫ Spé PC⋆ 5 (HP) Approche historique : le principe d’Huygens-Fresnel 5.1 Principe d’Huygens (1690) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Principe d’Huygens & diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Principe d’Huygens-Fresnel (1818) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 6 Diffraction à l’infini - Optique de Fourier 6.1 (HP) Approximation de Fraunhofer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Diffraction à l’infini par une ouverture plane : optique de Fourier 6.3 Fente fine rectangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Ouverture rectangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Ouverture circulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Théorème de Babinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Limite de l’optique géométrique - Pouvoir séparateur . . . . . . . 6.8 Fentes d’Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Réseaux plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 7 Filtrage spatial 7.1 Expérience d’Abbe (1893) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Strioscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 III Interférences de deux ondes cohérentes (II) : application 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Interféromètre de Michelson (1881) 8.1 Présentation de l’interféromètre de Michelson . . . . . . . 8.1.1 Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Principe de fonctionnement : division d’amplitude 8.2 Contact optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 9 Utilisation d’une source ponctuelle 9.1 Système équivalent . . . . . . . . . . . . 9.2 Utilisation en lame d’air . . . . . . . . . 9.2.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Sources secondaires . . . . . . . 9.2.3 Figure d’interférence . . . . . . . 9.2.4 Différence de marche . . . . . . 9.3 Utilisation en coin d’air . . . . . . . . . 9.3.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Cas d’une source à distance finie 9.3.3 Cas d’une source à l’infini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 10 Utilisation d’une source étendue : localisation 10.1 Utilisation en lame d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1 Observations expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 Différence de marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.3 Figure d’interférence : anneaux d’égales inclinaisons . 10.1.4 Mesure de cohérence temporelle . . . . . . . . . . . . . 10.1.5 Étude d’un doublet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.6 Observations en lumière blanche (teintes de Newton) 10.2 Utilisation en coin d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Observations expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Différence de marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3 Figure d’interférence : franges d’égales épaisseurs . . 10.2.4 Observations en lumière blanche : spectre cannelé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Complément (HP) : détection des ondes gravitationnelles 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
