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La physique de la lumière — ce phénomène à la fois onde et particule qui voyage à 299 792 458 m/s dans le vide. Des lentilles des télescopes aux lasers, des fibres optiques aux interféromètres gravitationnels, la maîtrise de la lumière a transformé notre vision du monde et notre technologie.
Dispersion par un prisme — décomposition de la lumière blanche
L'optique géométrique décrit la lumière comme des rayons rectilignes qui obéissent à des lois simples de réflexion et réfraction. Valide quand les dimensions des obstacles et ouvertures sont très grandes devant la longueur d'onde (λ → 0).
Réfraction à l'interface de deux milieux d'indices n₁ et n₂. L'indice de réfraction n = c/v mesure le ralentissement de la lumière. Base de la conception des lentilles et prismes.
Au-delà de l'angle critique, la lumière est totalement réfléchie. Fondement des fibres optiques (cœur verre n≈1,5 + gaine n≈1,46). 99,999% de la lumière Internet mondiale!
Relation conjuguée des lentilles convergentes (f > 0) et divergentes (f < 0). Grossissement transversal γ = OA'/OA. Base de tous les systèmes optiques : lunettes, microscopes, téléscopes.
Miroirs sphériques (concave f > 0, convexe f < 0) : formule de Descartes. Miroir parabolique parfaitement stigmatique pour l'infini (télescopes, antennes, phares). Le miroir plan est un cas limite R=∞.
Quand les dimensions caractéristiques deviennent comparables à λ, les effets ondulatoires dominent — interférence et diffraction. Huygens (1678), Young (1801) et Fresnel (1818) établirent le caractère ondulatoire transversal de la lumière, confirmé par Maxwell (c = 1/√(ε₀μ₀)).
Deux fentes séparées de d éclairées par une source cohérente produisent des franges d'interférence d'interfrange i = λD/d. Condition de maxima : Δ = kλ (k entier). Mesure de λ par la géométrie.
Diffraction par une ouverture circulaire (critère de Rayleigh). Limite la résolution de tout système optique. Télescope JWST (D=6,5m, λ=2μm) : résolution angulaire ~0,06 arcsec.
La lumière polarisée passe à travers un polariseur selon la loi de Malus. Polarisation par réflexion à l'angle de Brewster. Applications : lunettes polarisantes, LCD, cristaux liquides, microscopie.
Télescopes à lentilles (réfracteurs, limite Hubble) ou miroirs (réflecteurs). JWST (miroir 6,5m or, infrarouge, L2). ELT (ESO, 39m, 2027). Limités par la diffraction et la turbulence atmosphérique (optique adaptative).
Lumière cohérente, monochromatique, directive. 4 types : semiconducteur, gaz (He-Ne, CO₂), solide (Nd:YAG, Ti:Saphir), fibre. Applications : communications (fibres), médecine (LASIK, chirurgie), industrie (découpe), sciences (interférométrie).
Réflexion totale interne : 99,9% d'intensité conservée sur des km. Bande passante ~100 Tbit/s (multiplexage WDM). Câbles sous-marins : 400+ Tbit/s. Atténuation < 0,2 dB/km (silice ultra-pure). Internet mondial.
Microscopie optique (limit. Abbe : λ/2 ≈ 200 nm), confocale (rejet hors-plan), STED (super-résolution, Nobel 2014), fluorescence. Microscopie électronique (MEB, MET) : résolution atomique. STORM, PALM : 10-20 nm.
CCD/CMOS : conversion photoélectrique. Objectifs à phases multiples, correction aberrations chromatiques (verre ED, fluorite). Capteurs smartphones : 200 Mpixels, ouvertures f/1,5. IA appliquée à la reconstruction d'image.
Analyse de la lumière émise ou absorbée pour identifier les matériaux : spectroscopie Raman, infrarouge (FTIR), UV-vis, fluorescence X. Applications : analyse chimique, détection de polluants, astronomie (composition des étoiles), archéologie.