____L'histoire des découvertes en optique ondulatoire est passionnante et exemplaire en ce qui concerne les étapes d'une vraie démarche scientifique. Nous n'en donnerons dans ce texte de manipulation qu'un bref résumé. La bibliographie et les liens internet permettront à ceux qui aiment la Physique et son histoire de compléter leurs connaissances. 

C'est en 1657 [1] que le mathématicien français Pierre Fermat (1601-1665)  énonce le premier principe fondamental de l'optique dont nous donnons ici la forme initiale:

_"La nature agit toujours par les voies les plus courtes" 

____Pierre Fermat contestait vigoureusement les propositions initiales de Descartes qui servaient de base à sa Dioptrique. Descartes supposait en effet que la vitesse de la lumière était plus faible dans l'air que dans l'eau. La controverse fut très vive. Il qualifiait la démonstration de l'auteur du fameux "discours de la méthode" de "véritable paralogisme" En utilisant son principe et des suppositions inverses, Fermat, qui ne disposait pas des facilités du calcul intégral parvenait cependant démontrer mathématiquement les mêmes lois de la réfraction que Descartes. 

___Dans les ouvrages  actuels [2], sans doute pour éviter toute confusion avec "le principe
du moindre effort", l'énoncé du principe de Fermat est proposé sous une forme moins
générale, mais plus explicite : 

___"La lumière se propage d'un point à un autre sur une trajectoire telle que la durée du parcours soit minimale ou plutôt stationnaire"  

____La notion de chemin optique en découle directement. On en déduit les lois de la réflexion, de la réfraction et plus généralement celles de l'optique géométrique. Les notions de stigmatisme des systèmes optiques  dans la formation des images font également appel au principe de Fermat. Les calculs de chemins optique jouent un rôle fondamental dans l'interprétation des phénomènes de diffraction et d'interférence. 

_____On attribue la découverte de la diffraction au père jésuite italien de Bologne Francesco Grimaldi  [1] (1618-1663). Citons la première proposition de son ouvrage publié en 1665 : "Physico-mathesis de Lumine, coloribus et iride" 

___" Lumen propagatur seu diffunditur non solum Directe, Refracte, ac Refexe, sed etiam Quatro modo, Diffracte." 

____Enfermé  dans une chambre obscure il perçait de minuscules ouvertures dans un rideau noir exposé au soleil. Il interposait sur le trajet du faisceau un écran percé d'un petit trou ou une fente, un bord d'écran, des fils, des cheveux, de la toile, des plumes d'oiseaux. Chaque fois il observait sur un écran placé derrière ces objets,  des franges irisées en dehors du trajet géométrique normal. Il suppose donc que le changement de trajectoire de la lumière lors de son passage à proximité d'objets opaques, est la conséquence d'un phènomène nouveau qu'il appelle diffraction.  

____Grimaldi a probablement observé des interférences avec deux sources proches. Mais ses descriptions ne sont pas suffisamment précises pour conclure. 

 ____Christiaan Huygens (1629-1695) [1] qui a laissé une œuvre importante en mécanique s'est également intéressé à l'optique. Dans son "Traité  de la lumière" qui ne comporte que 90 pages écrit en 1678 et publié en 1691, il jeta les bases de la théorie ondulatoire de la lumière. Il supposait que la lumière se propageait sous la forme d'ondes sphériques, que chaque point atteint par l'onde pouvait être transformé en une nouvelle source. Il raisonnait par analogie avec la propagation des ondes à la surface de l'eau ou des ondes sonores dans l'air. Pour lui la vibration lumineuse était longitudinale et avait besoin d'un milieu matériel pour se propager. Incapable de définir précisément la nature de ce milieu, il l'appela "l'éther". La théorie des ondelettes lui permettait par exemple de retrouver les lois de la réfraction. La construction géométrique du rayon réfracté d'Huygens est encore en usage aujourd'hui.  

____Isaac Newton  (1642-1727) [1] observa également les phénomènes de diffraction et les franges localisées des lames minces. Il publia jusqu'en 1704 un volumineux ouvrage en trois tomes "Opticks". En plus de ses observations expérimentales très intéressantes il y développait une théorie corpusculaire de la lumière qui ne fut abandonnée qu'un siècle plus tard. Sa notoriété dans d'autres domaines était telle que ses admirateurs, "les newtoniens" bloquèrent longtemps l'évolution de la théorie ondulatoire alors que Newton lui-même, qui connaissait les travaux d'Huygens avait fait quelques approches dans ce sens. Il le citait sous le nom d'Hugénius (grand génie). 

____C'est à Thomas Young (1773-1829)[1], médecin anglais aux connaissances universelles, que revient le mérite d'avoir véritablement relancé vers 1804 la théorie ondulatoire. Auteur d'une thèse sur la production de la voix humaine, il avait une parfaite connaissance des phénomènes de propagation du son. Il s'intéressait à la diffraction, aux franges des lames minces et on peut considérer qu'il a découvert les interférences en faisant passer la lumière issue d'une source ponctuelle à travers deux petits trous voisins un peu comme Grimaldi l'avait fait en prenant comme source le soleil. Ces trous devenaient deux sources cohérentes émettant des faisceaux divergents par diffraction. Sur un écran éloigné, dans la zone de recouvrement des faisceaux, il observait des franges d'interférences. Il éxécuta des mesures, et sur la base d'un modèle ondulatoire qui sera exposé plus loin, il put évaluer la longueur d'onde de la lumière pour différentes couleurs comme le rouge (0,7 microns) et le violet (O,42 microns). Par contre il ne donna pas une explication convaincante des phénomènes de diffraction. La publication de ses travaux fut couverte d'insultes par les newtoniens parmi lesquels Lord Brougham fut le plus virulent. 

____Augustin Fresnel (1788-1827) [1][3], polytechnicien et ingénieur des Ponts et Chaussées prendra la suite vers 1814 . Il se forma seul,  puis sous la direction de François Arago (1786-1853) qui était déjà académicien. A l'inverse de lord Brougham pour Young, Arago soutiendra toujours Fresnel. Opposant déclaré de Napoléon, il fut assigné à résidence dans  un petit village près de Caen au retour de l'île d'Elbe. C'est la qu'il commence ses premières expérimentations. Au lieu de faire pénétrer la lumière solaire dans sa chambre noire par un petit trou, il utilise une petite goutte de miel insérée dans un trou percé dans une plaque métallique. La goutte fait fonction de lentille et donne une minuscule image du soleil qui constitue sa source ponctuelle. Comme ses prédécesseurs il interpose des écrans percés de trous, de fentes, des fils etc. Par contre l'écran sur lequel il observe les figures d'interférences et de diffraction est un verre dépoli. Derrière l'écran, il place une loupe montée sur un micromètre fabriqué par le forgeron du village. Il effectue ainsi des mesures précises. Son premier mémoire sur la diffraction paraît dès 1815. En 1817, alarmés par la reprise de la théorie ondulatoire, les newtoniens de l'académie des Sciences organisent un concours sur le thème de la diffraction. Fresnel sera le seul à répondre. Son mémoire déposé en 1818 et récompensé en 1819, sera le triomphe de la théorie ondulatoire. On y trouve bien entendu le principe d'Huygens Fresnel qui permet par le calcul intégral de retrouver précisément l'allure des figures de diffraction. Par la suite Fresnel imagina deux nouveaux dispositifs pour obtenir des interférences: les miroirs et le biprisme dits de Fresnel. De 1820 à 1823, il s'intéressa à la polarisation de la lumière. Avec Arago, il démontra expérimentalement que la vibration lumineuse qu'il avait supposée longitudinale, était en réalité transversale.  

____En 1849 Hippolyte Fizeau [4] obtient la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière par la méthode de la roue dentée. En 1850 Leon Foucault [4] (1819-1868) effectue la même mesure par la méthode du miroir tournant. 

____Cependant la véritable nature de la vibration lumineuse restait inconnue. C'est en 1873 que le physicien écossais James-Clerk Maxwell [5] (1831-1879) effectue une brillante synthèse des connaissances de l'époque sur le champ électrique et sur le champ magnétique. Tout deux agissent à distance sur les particules chargées. Toute variation de l'un entraîne l'apparition de l'autre. Les deux vecteurs représentatifs sont perpendiculaires. Toute perturbation se propage à distance comme une onde dite "électromagnétique" dont les vibrations sont transversales. La vitesse de propagation  est justement celle de la lumière. Le résultat final des travaux de Maxwel se résume à quatre équations à partir desquelles on peut tout reconstruire. 

____Dès 1888 le physicien allemand Heinrich Hertz [6] (1857-1894) montre expérimentalement que des circuits oscillants peuvent émettre des ondes électromagnétiques. Ces ondes  polarisées, obéissent aux mêmes lois que la lumière; réflexion, réfraction, diffraction et interférences, seule la fréquence diffère. 

____En 1890 Wiener [7] parvient à enregistrer photographiquement des ondes stationnaires obtenues en éclairant sous incidence normale avec un faisceau de lumière monochromatique parallèle un dispositif qui est en quelque sorte un coin d'air dont la glace inférieure a été argentée tandis que la face en regard de la glace supérieure est recouverte d'une très fine couche de collodion au bromure d'argent. L'amplitude de l'onde réfléchie étant pratiquement égale à celle de l'onde incidente, ce sont effectivement des ondes stationnaires qui ont été enregistrées. Les résultats montrent qu'il existe une zone nodale au niveau de la surface du miroir. C'est donc le champ électrique qui représentera, dans le vide ou dans l'air, la vibration lumineuse.  

____Parallèlement, l'interprétation des spectres continus ou discontinus, tant en absorption qu'en émission, montre que l'énergie transportée par une radiation de fréquence n est un multiple entier d'un "quantum"d'énergie E = hn où h est la constante de Planck (h = 6.62 10-34J.s)  

____En 1905 Albert Enstein (1879-1959) réintroduit un modèle corpusculaire. Le quantum d'énergie E = hn est associé à un corpuscule nommé photon. Il se déplace à la même vitesse que les ondes électromagnétiques, sa masse et sa charge sont nulles. Les modèles ondulatoire et corpusculaire sont complémentaires. Un train d'ondes électromagnétiques de fréquence n accompagne le photon.  

BIBLIOGRAPHIE (ouvrages ou revues facilement accessibles à la Bibliothèque Universitaire) 

[1] Vasco Ronchi   "Histoire de la lumière"  Librairie Armand Colin 1956" 
[2] José-Philippe Pérez ; Optique géométrique et ondulatoire; Editions Masson 1994 
[3] Les cahiers de Science & Vie n°5: " Fresnel : qu'est-ce que la lumière" 
[4] Les cahiers de Science & Vie n°25 "Comment on a réussi à mesurer la vitesse de la lumière" 
[5] Les cahiers de Science & Vie n°17 "Maxwell ou les champs de la lumière" 
[6] Les cahiers de Science & Vie n°30  "Hertz : comment il a révélé l'existence des ondes radio" 
[7] P. Fleury J.P. Mathieu : Images Optiques Editions Eyrolles 1960 p.236