Table des matières
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Introduction à l'optique

Plan

1. Evolution des idées sur la nature de la lumière
2. Les sources de lumière
2.1. Le Soleil
2.2. les sources incadescentes
2.3. Les tubes à décharge
2.4. Les lasers
3. Emission de lumière
3.1. Emission de lumière par les gaz et les vapeurs
3.2. Emission spontanée, émission stimulée
3.3. Principe du laser
4. Optique ondulatoire et optique géométrique

L'optique est la branche de la physique qui étudie tout ce qui concerne la lumière et les phénomènes analogues, même lorsque ceux-ci ne sont pas directement détectables par l'être humain.
Il y a cinquante ans, on considérait l'optique comme une science achevée, susceptible seulement de progrès techniques. Or, depuis la dernière guerre, on assiste à un développement continu et même à un renouveau complet de cette science depuis l'apparition du laser.
Dans la période qui a précédé le laser, l'utilisation de la transformée de Fourier par les opticiens a été pour beaucoup dans le développement de l'optique , en particulier dans la formation des images en lumière cohérente et incohérente. De nouvelles méthodes d'observation ont été mises au point, notamment en microscopie. Mais, il faut bien le dire, c'est le laser qui a été à l'origine d'une évolution dont la rapidité et l'ampleur sont réellement extraordinaires. La cohérence spatiale, la cohérence temporelle et la puissance du laser ont permis de développer l'holographie, les méthodes interférométriques, la spectroscopie à haute résolution, l'optique intégrée, l'optique non linéaire, pour ne citer que quelques exemples. La lumière est même devenue, depuis quelques années, le support pour la transmission des informations. Grâce à la très grande fréquence des vibrations lumineuses, la quantité d'informations transmises est énorme, et c'est ainsi que sont nées les communications optiques par fibres.

1. Evolution des idées sur la nature de la lumière

Pendant près de deux millénaires, l'optique a eu pour objet la recherche du mécanisme de la vision. Certes, les Grecs ont formulé des hypothèses sur la nature de la lumière. C'est un feu continu, d'une espèce particulièrement subtile, pour Héraclite et Empédocle. C'est un jet rapide de particules, qui est enregistré par les êtres vivants comme un flux continu, pour Démocrite et Platon. Mais la recherche se porte réellement sur la nature physique de la lumière à partir du XVIIè siècle.
Dans une communication du 8 février 1672 à la Royal Society, Newton considère la lumière comme une réalité substantielle et lui attribue une structure corpusculaire. Cette hypothèse explique les lois de l'optique géométrique mais rencontre des difficultés pour interpréter les phénomènes d'interférences. Newton introduit alors une périodicité dans le parcours des corpuscules lumineuses. Un corpuscule possède alternativement des " accès " de facile transmission et des " accès " de facile réflexion. Ils se reproduisent périodiquement et la " longueur d'accès " est constante pour une couleur déterminée. Malgré son ingéniosité, la théorie de Newton ne devait pas résister à l'expérience.
Dans son Traité sur la lumière, paru en 1690, Huygens considère que la lumière se propage dans un milieu matériel qui est le siège de véritables mouvements vibratoires. A l'aide de l'hypothèse des ondulations, Huygens explique les lois de la réflexion, de la réfraction. La théorie ondulatoire de la lumière prend de plus en plus d'importance avec les travaux d'Young (1773-1829) et de Fresnel (1788-1827). Elle explique simplement les phénomènes de diffraction, découverts par Grimaldi en 1665, et les phénomènes d'interférences.
En 1873, Maxwell montre l'existence d'ondes électromagnétiques. La théorie de Maxwell est confirmée par les expériences de Hertz en 1888. l'onde électromagnétique se propage dans l'espace avec une vitesse voisine de 300000 km/s, qui est la vitesse de la lumière. On est ainsi conduit à admettre que les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques. L'oscillateur n'est pas une antenne comme dans les expériences de Hertz, mais bien l'atome ou la molécule dans lesquels les électrons exécutent des oscillations de très haute fréquence qui produisent un rayonnement électromagnétique lumineux. La théorie électromagnétique de la lumière constitue désormais la base de l'optique ondulatoire.
Mais la théorie électromagnétique se heurte à des difficultés insurmontables lorsqu'on veut l'appliquer à l'émission de la lumière par des corps portés à haute température. Max Planck, en 1900, suggère que l'énergie lumineuse émise par un corps chauffé n'est pas émise de façon continue, mais par petits paquets appelés quanta. Cette idée géniale devait révolutionner la physique. Elle stimula d'autres physiciens et, parmi eux, Albert Einstein qui explique, en 1905, comment un solide peut émettre des électrons sous l'action d'un rayonnement lumineux. Ce phénomène, appelé effet photoélectrique, avait été découvert par Hertz en 1887. Einstein admet que, dans tout rayonnement, l'énergie est concentrée en grains, ou quanta de lumière, nommés photons, dont l'énergie  est proportionnelle à la fréquence  du rayonnement, h étant la constante de Planck. Néanmoins, Einstein se rendait compte qu'il n'est pas possible d'abandonner le concept d'onde lumineuse, concept nécessaire pour expliquer l'optique ondulatoire, et aussi pour définir la fréquence d'une radiation et, par suite, l'énergie des photons correspondants. Il fallait arriver à une théorie synthétique du rayonnement rendant compte à la fois de son aspect corpusculaire et de son aspect ondulatoire. La mécanique ondulatoire, proposée par Louis de Broglie en 1924, réussit à concilier la dualité onde-corpuscule, non seulement dans le cas particulier de la lumière comme l'avait perçu Einstein, mais aussi dans le cas des particules matérielles telles que les électrons.

2. Les sources de lumière

2.1. Le Soleil

Le Soleil constitue la principale source de lumière. L'analyse du rayonnement émis par le Soleil et reçu sur la Terre indique une modification importante de ce rayonnement due à l'atmosphère. L'ozone de la stratosphère absorbe le rayonnement ultraviolet dont la longueur d'onde est inférieure à 300 nm ; la vapeur d'eau absorbe une partie du rayonnement infrarouge. Une partie importante de la lumière est diffusée par l'atmosphère, ce qui est à l'origine de la couleur bleue du ciel.
La puissance provenant du Soleil est d'environ 1 kw par mètre-carré au niveau du sol et d'environ 1,35 kw par mètre-carré au dessus de l'atmosphère.

2.2. Les sources incandescentes

L'expérience montre que de très nombreux corps émettent de la lumière lorsqu'ils sont portés à une température plus ou moins élevée.
Pour le corps appelé corps noir, la figure ci-après montre la répartition spectrale d'intensité pour différentes températures.
Parmi les sources incandescentes usuelles, on peut citer, outre évidemment le Soleil :

L'analyse du rayonnement (au moyen d'un prisme par exemple) montre que toutes les longueurs d'onde ou radiation sont représentées : on obtient un spectre continu. La figure représente le spectre d'émission d'un émetteur incandescent idéal, appelé corps noir.

Le spectre d'émission d'un émetteur réel diffère toujours plus ou moins de celui du corps noir, mais les indications restent en grande partie valables.

2.3. Les tubes à décharge

Si on fait éclater une étincelle dans un tube contenant un gaz ou une vapeur, il peut y avoir émission de lumière. Le spectre obtenu est différent de celui obtenu avec les lampes à incandescence : c'est essentiellement un spectre de raies auquel se superpose un spectre continu.
On distingue plusieurs types de tubes :

2.4. Les lasers

C'est actuellement la principale source de lumière monochromatique cohérente. Laser signifie light amplification by stimulated emission of radiation ce qui correspond au principe de fonctionnement de l'appareil.
La lumière émise possède des propriétés remarquables :
- elle est très monochromatique c'est à dire que la raie est très fine avec une longueur d'onde connue avec une très grande précision ;
- elle est cohérente ;
- le laser constitue une source pratiquement ponctuelle ;
- la puissance peut être relativement faible (quelques milliwatts pour les lasers utilisés usuellement) ou bien considérable pour certains lasers fonctionnant par impulsions très brèves. Signalons, par exemple, qu'un faisceau laser hélium-néon (l'un des lasers les plus utilisés) de section  fournit la même intensité énergétique à  (sa longueur d'onde de fonctionnement) qu'une surface de  portée à .

3. Emission de lumière

Après les échecs de la théorie électromagnétique pour expliquer les spectres continus d'émission lumineuse des corps portés à haute température, c'est Planck qui réussit en 1900 à trouver une formule donnant des valeurs en concordance avec l'expérience. Pour obtenir ce résultat, Planck admet que les échanges d'énergie entre matière et rayonnement se font par quantités discrètes appelées quanta. Chaque quantum a une valeur à  égale au produit de la fréquence  du rayonnement émis par une constante universelle h. En 1905, Einstein introduit la notion de quantum de lumière ou photon. Parallèlement à son aspect ondulatoire, la lumière se présente donc aussi sous la forme corpusculaire. A une onde électromagnétique de fréquence  est associé un photon d'énergie :  .

3.1. Emission de la lumière par les gaz et les vapeurs

En 1913, la théorie des quanta remporte un grand succès grâce à Niels Bohr, lequel explique l'origine des lois donnant les longueurs d'onde dans les spectres de raies.
Les gaz, les vapeurs, contenus dans des tubes, excités par une différence de quelques milliers de volts, émettent de la lumière sur des longueurs d'onde particulière : il y a émission d'un spectre de raies. Les enseignes lumineuses sont des exemples courants de ce type d'émission.
Pour expliquer les spectres de raies, Bohr a émis l'hypothèse fondamentale suivante : un atome ne peut exister que dans une suite discontinue d'états stationnaires. L'atome dans un état stationnaire n'émet aucun rayonnement. A ces états stationnaires correspondent des niveaux d'énergie Lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie  à un niveau plus bas , il y a émission d'un photon  associé au rayonnement de fréquence  donnée par la relation : 
Aujourd'hui, la notion d'orbite électronique circulaire autour du noyau introduite par Bohr est abandonnée par la mécanique quantique qui, par contre, maintient et confirme la notion de niveau d'énergie.
 
On représente les niveaux d'énergie par des traits comme indiqué sur la figure ci-contre, l'état de plus basse énergie est l'état fondamental stable. La durée de vie d'un niveau d'énergie plus élevé dit excité est en moyenne de , après il redescend au niveau fondamental ou dans un état intermédiaire excité.
Cependant il existe des niveaux dont la durée de vie peut être de l'ordre de la seconde, voire plus. Ces niveaux d'énergie sont dits métastables. Ils jouent un rôle important dans l'émission laser.

3.2. Emission spontanée, émission stimulée

A température ordinaire, les atomes sont presque tous à leur niveau le plus bas.
On peut faire passer les atomes dans des états excités :
- par décharge électrique (c'est ce qui est réalisé dans les tubes),
- par augmentation de la température (sources incandescentes où, par agitation thermique et au fur et à mesure des chocs, de plus en plus d'atomes deviennent excités,
- par absorption d'un photon (lorsqu'un photon entre en collision avec un atome il peut augmenter l'agitation thermique de l'atome ou être absorbé et amener l'atome dans un état excité.

La figure ci-contre représente les trois types d'interactions.

L'émission spontanée se produit de façon aléatoire : elle est incohérente.

Au contraire, l'émission stimulée est cohérente.

3.3. Principe du laser

La population des niveaux d'énergie décroît lorsque l'énergie augmente suivant la distribution de Boltzmann.
 
Dans ces conditions un photon incident a plus de chances d'être absorbé en faisant passer un atome du niveau stable  à un niveau excité d'énergie supérieure et, ensuite, d'induire une émission spontanée que de provoquer une émission stimulée.
Si nous voulons augmenter les chances d'émission stimulée à partir du niveau , il convient d'augmenter la population de ce niveau au détriment de celle au niveau .
Pour cela on va se servir du niveau excité  et de la possibilité d'un niveau métastable (de longue durée de vie) . 

Les photons incidents d'énergie  sont absorbés et le niveau d'énergie  se peuple pour se dépeupler, en perdant de l'énergie lors de collisions (transition non radiative), vers le niveau  qui est métastable. Ainsi, au fur et à mesure de la diminution des atomes de niveau  par absorption des photons incidents, le niveau  devient plus nombreux. Il y aura inversion des populations et un photon incident aura plus de chances de produire une émission stimulée que d'être absorbé. Le processus d'émission prédomine sur celui de l'absorption. L'intensité de la lumière incidente va augmenter au lieu de diminuer au cours de la traversée du milieu, les photons de l'émission stimulée provoquant eux-mêmes de nouvelles émissions stimulées : il y a amplification.
Le pompage qui fait passer les atomes du milieu actif du niveau  au niveau  peut être réalisé par flash lumineux ou décharge électrique.
Le milieu actif est placé dans un résonateur optique constitué par un interféromètre de type Pérot-Fabry . Ce dernier augmente l'amplification et effectue une sélection dans les fréquences émises qui sont, de plus, extrêmement monochromatique (voir fonctionnement d'un interféromètre de Pérot-Fabry).
Le type de milieu actif classifie les différents lasers à savoir : lasers à solides, lasers à gaz, lasers à colorants, lasers à semi-conducteurs, lasers à excimères, lasers chimiques, les lasers à électrons.

4. Optique ondulatoire et optique géométrique

Le domaine de l'optique est celui des faibles longueurs d'ondes inférieures à .
La solution approchée des équations de Maxwell lorsque la longueur d'onde tend vers 0 revêt un caractère privilégié. Elle est appelée Optique géométrique, elle permet de déterminer les chemins suivis par la lumière.
Cette solution est suffisante si l'aspect vibratoire de la lumière n'intervient pas.
La nature vibratoire ou ondulatoire de la lumière est nécessaire si :
- la dimension spatiale de l'onde n'est pas négligeable devant les dimensions du milieu dans lequel il se propage (ce phénomène est appelé diffraction),
- les conditions d'existence du phénomène d'interférences sont réalisées.